SIMULACIÓN DEL SECADOR POR ASPERSIÓN ANHYDRO DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

SIMULACIÓN DEL SECADOR POR ASPERSIÓN ANHYDRO DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

1. Introducción.

En muchas áreas de la industria química, el producto de un proceso es un líquido que contiene un valioso material sólido en forma suspendida o disuelto. En muchos casos es ventajoso separar el material sólido de él solvente para obtener el material seco. El objetivo puede ser reducir costos en transporte o porque el material tiene mejores propiedades en forma seca que cuando está disuelta.

Uno de los problemas principales en el secado de alimentos, es el riesgo de alteración de la calidad nutritiva y calidad organoléptica del producto tratado. Para esto, se puede eliminar la pérdida de aromas y componentes termolábiles, escogiendo técnicas que emplean temperaturas bajas (liofilización, crio concentración); o, con tiempos cortos de tratamiento (atomización).

Por la facilidad de manipuleo y consumo (tanto el mercado local, nacional e internacional) exigen que los extractos naturales sean deshidratados, utilizando técnicas modernas de secado; que garantice, que el producto sea de buena calidad, exento de riesgos de contaminación y degradación. Los tipos de secado más usados, son los que presentan alta eficiencia por tener grandes ventajas como: Tiempo de secado mínimo y por los altos coeficientes de transferencia de masa y calor, que permiten que el producto a secar no se degrade y sea aplicable para el secado de diferentes productos según conveniencia para casos especiales (líquidos).

Entre los métodos de secado disponibles, el secado por aspersión tiene una gran importancia en la industria farmacéutica, biotecnológica y de alimentos, ya que es particularmente aplicado a materiales termolábiles, además de que los productos presentan características especificadas como tamaño, densidad de partícula, humedad y temperatura, entre otras.

El secado por aspersión es un proceso para convertir un alimento líquido en un polvo por evaporación del solvente. Comparado con otros procesos de evaporación, el secado por aspersión tiene la gran ventaja que el producto puede ser secado sin mucha pérdida de volátiles o componentes termolábiles. Estas ventajas son especialmente importantes en la producción de material alimenticio tales como leche en polvo y café instantáneo. Los volátiles en estos procesos son aromas; los componentes termolábiles son las proteínas.

Los secadores por aspersión son ampliamente usados en la industria, ellos se encuentran en el punto final de la planta, ellos tienen un lugar importante en el proceso ya que en la inversión de capital, el tamaño y costo de operación son significantes.

El principio básico del secado por aspersión es el extenso contacto del líquido con el medio secante, usualmente aire. El aire suministra la energía para la evaporación y “absorber” el solvente en forma de vapor (usualmente agua). Cuatro etapas forman parte del proceso de secado por aspersión.

La primera etapa tiene lugar en el corazón del proceso: el atomizador. La corriente de líquido es dispersada por el atomizador en una cantidad enorme de pequeñas gotas. El tamaño de la partícula generada tiene orden de micras. Atomizadores comúnmente utilizados son los de disco rotatorio, boquillas de presión y las boquillas de dos fluidos.

La segunda etapa es la dispersión de las partículas en el aire (mezcla aire-rocío). La superficie de la mezcla aire-rocío tiene gran influencia en el secado de las partículas.

El secado propiamente es considerado como la tercera etapa.

Recolección de los sólidos secos es la última etapa. Esto usualmente comprende la remoción del polvo de las paredes de la cámara de secado, en la industria se emplean escobas de aire o raspadores giratorios y la separación del polvo del aire por ciclones.

1. Antecedentes

Las primeras referencias del secado por aspersión datan de los años de 1860 (Alamilla, 2001), a continuación se revisa un breve desarrollo general de los estudios que se realizaron al respecto.

En los años 40’s y 60’s se realizaron estudios orientados al análisis y desarrollo de ecuaciones para describir el tamaño y forma de la gota asperjada y secada, el tiempo de viaje y el tiempo de secado (Alamilla, 2001), las cuales se siguen aplicando en la actualidad; y es que si se comprende lo que ocurre en el proceso de secado, es posible diseñar equipos que permitan obtener productos con mejores características.

En los años 70’s la tendencia fue establecer condiciones de operación y de diseño de equipos sin que éste quede totalmente explícito.

En anteriores trabajos realizados, se muestra una metodología de dimensionamiento del secador Patiño (1995), Grajales (1996) y Mendoza (2003), como también se realizó el estudio de temperaturas y humedad en la gota respecto al tiempo Shabde y Hoo (2006), como el proceso de viaje de la gota sobre el secador Masters (1986).

Hasta la fecha se siguen desarrollando modelos que permitan describir el proceso de secado auxiliándose para ello de las computadoras, de hecho existe en el mercado software para determinar los patrones de flujo y perfiles de temperatura como lo es el código de Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD, por sus siglas en ingles).

1. Planteamiento de problema

El laboratorio de operaciones unitarias de la carrera de Ingeniería Química – Alimentos cuenta, desde hace más de 25 años con un equipo de secado por atomización “ANHYDRO” a nivel piloto, él cuál ha sido utilizado con funciones académicas e investigación en varios trabajos de graduación por los estudiantes de la carrera.

Este equipo tiene dos formas de atomizar la solución a secar; por un atomizador rotatorio y un atomizador neumático.

En varias pruebas de secado experimental en éste equipo se tiene problemas tales como:

• Se obtiene el producto en polvo con humedad mayor a la requerida en productos en polvo (entre 5 y 3%).
• En varias ocasiones se obtiene el producto a punto de quemarse o quemado.
• Si bien se adopta una determinada presión del fluido para atomizar (atomizador neumático), este dato no siempre es el requerido para el fluido a tratar.
• No se cuenta con criterios técnicos científicos para definir o seleccionar tipo de uso del atomizador rotatorio o el atomizador neumático.
• El ciclón no siempre atrapa todas las partículas de polvo, siendo éstas arrastradas por el vapor de agua a su salida, produciéndose pérdidas del producto final.

Ante este problema de operación del equipo de secado por atomización de  laboratorio de operaciones unitarias, nos planteamos la siguiente interrogante:

¿La simulación a partir de modelos de operación de secado por atomización permitirá describir la evolución del secado y definir parámetros calculados antes de operar el secador y lograr que el producto seco logre las condiciones requeridas en el equipo de secado por atomización de laboratorio de operaciones unitarias?

1. Objetivos

1. Objetivo General

Realizar la simulación del secador por aspersión ANHIDRO de laboratorio de operaciones unitarias.

1. Objetivo Específicos

1. Identificar y seleccionar la información teórica sobre el secado por aspersión, como la simulación del secado por aspersión.
2. Calcular el flujo de aire necesario para operar el proceso de secado, y el tiempo teórico de secado.
3. Realizar la simulación de temperatura de la gota a cada instante hasta el tiempo teórico de secado, incorporando el sobrecalentamiento de la gota.
4. Efectuar la simulación de la humedad dentro la gota a cada instante hasta el tiempo de secado.
5. Realizar la simulación del viaje de la gota en el secador, por los dos tipos de atomización que se cuenta en el equipo de secado por aspersión del laboratorio de operaciones unitarias.
6. Contrastar los datos arrojados por la simulación con datos experimentales, con un fluido.

1. Alcances y Limites.

En el presente trabajo se propone contar con una simulación del proceso de secado, a partir de un secuencia de cálculos de los fenómenos de transferencia de masa, transferencia de energía los cambios de tamaño de gota y otros que involucra la operación de secado por atomización lo que permitirá describir los fenómenos involucrados en este tipo de secador. La secuencia de cálculos serán desarrollados en un programa en MatLab que permitirá obtener gráficas como ser:

• Temperatura versus tiempo versus nodo.
• Humedad versus tiempo versus nodo.
• Viaje de la gota en el secador.

Los balances realizados serán a nivel macroscópico.

La simulación tomará parámetros del equipo secador por aspersión que cuenta el laboratorio de operaciones unitarias de la carrera.

1. Justificaciones

La simulación de procesos resume toda la teoría relacionada con un proceso en el cual se sustituyen las situaciones reales por otras creadas artificialmente, lo que permite identificar los factores, variables y condiciones de procesos que pueden influir para la resolución de situaciones que afecten al proceso o al producto, coadyuvar al desarrollo de nuevos productos y/o realizar mejoras en el proceso o en el producto.

...