SECADOR CONVECTIVO EN LECHO FIJO Y FLUIDIZADO PARA ...
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1 SECADOR CONVECTIVO EN LECHO FIJO Y FLUIDIZADO PARA MATERIALES GRANULADOS JOHN ALEXANDER RIVEROS MEDINA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA MARZO DE 2007
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SECADOR CONVECTIVO EN LECHO FIJO Y FLUIDIZADO PARA
MATERIALES GRANULADOS
JOHN ALEXANDER RIVEROS MEDINA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA
MARZO DE 2007
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SECADOR CONVECTIVO EN LECHO FIJO Y FLUIDIZADO PARA MATERIALES GRANULADOS
JOHN ALEXANDER RIVEROS MEDINA
Tesis de Grado
Asesor
Orlando Porras Rey I.M., Dr. Sc.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA
MARZO DE 2007
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TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................8
2. ANTECEDENTES ...........................................................................................................9
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .....................................................................10
4. OBJETIVOS ...................................................................................................................11
4.1 Objetivo General........................................................................................................ 11 4.2 Objetivos Específicos ................................................................................................ 11
5. ASPECTOS GENERALES DEL SECADO .............................................................12
5.1 El secado .................................................................................................................... 12 5.2 Secado en lecho fluidizado ........................................................................................ 12
5.2.1 Condiciones del aire ........................................................................................... 15 5.2.2 Humedad de equilibrio ........................................................................................ 17 5.2.3 Agua libre y ligada............................................................................................... 17 5.2.4 Condiciones para la fluidización ......................................................................... 17
6. DISEÑO DEL SECADOR ...........................................................................................19
6.1 Condiciones iniciales para el diseño.......................................................................... 19 6.2 Diseño de la cámara................................................................................................... 22
6.2.1 Velocidad mínima de fluidización...................................................................... 23 6.3 Dimensionamiento de la cámara................................................................................ 30 6.4 Diseño del calentador ................................................................................................ 31 6.3 Selección del ventilador............................................................................................. 34 6.5 Diseño del Ciclón ...................................................................................................... 39 6.7 Controlador de temperatura........................................................................................ 46 6.8 Selección de materiales y procesos de manufactura................................................... 49
7. CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO Y ENSAMBLE....................................................51
8. PUESTA A PUNTO.......................................................................................................53
9. PRUEBAS Y RESULTADOS ......................................................................................55
10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .........................................................58
11. MANUAL DE USUARIO ...........................................................................................59
12. REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS ......................................................................60
ANEXO A. Fotografías del equipo ...............................................................................62
ANEXO B. Planos detallados del equipo construido. ............................................63
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TABLA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Diagrama esquemático de un secador de lecho fluidizado. Fuente Autor...... 13
Ilustración 2. Diferentes tipos de lechos fluidizados. Fuente [4] ......................................... 15
Ilustración 3. Fases de temperatura. Fuente [6].................................................................... 16
Ilustración 4. Diagrama partes componentes del secador de lecho fluidizado. Fuente [4] .. 22
Ilustración 5. Cámara de secado construida. ........................................................................ 30
Ilustración 6. Resistencia en U. ............................................................................................ 32
Ilustración 7. Conectores resistencia ................................................................................... 33
Ilustración 8. Calentador, compuesto por resistencias, entrada de aire. ............................... 33
Ilustración 9. Respuesta a velocidades superficiales. Fuente [6].......................................... 34
Ilustración 10. Conjunto ventilador motor............................................................................ 39
Ilustración 11. Diagrama ciclón. Fuente: Autor ................................................................... 40
Ilustración 12. Recorrido de partículas en el ciclón. Fuente [1].......................................... 41
Ilustración 13. Ciclón construido en base a las dimensiones especificadas. ........................ 45
Ilustración 14. Caja de control de resistencias y controlador de temperatura...................... 47
Ilustración 15. Controlador de temperatura.......................................................................... 47
Ilustración 16. Conexión interna caja de control. ................................................................. 48
Ilustración 17. Diagrama conexión control de temperatura.................................................. 48
Ilustración 18. Vista lateral secador..................................................................................... 52
Ilustración 19. Vista montaje ventilador motor ................................................................... 52
Ilustración 20. Muestras de lentejas para secar. .................................................................. 56
Ilustración 21. Material encontrado en el ciclón. ................................................................ 57
Ilustración 22. Material fluidizado. ..................................................................................... 57
Ilustración 23. Conjunto secador. ......................................................................................... 62
Ilustración 24. Termopar. ..................................................................................................... 62
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Porosidades típicas en algunos lechos.[6]. ............................................................. 25
Tabla 2. Esfericidad de algunos materiales. [6].................................................................... 27
Tabla 3. Cabeza de pérdidas por fricción para el secador. ................................................... 38
Tabla 4. Eficiencias y dimensiones para diversos ciclones. [1]. .......................................... 42
Tabla 5. Dimensiones ciclón................................................................................................. 43
Tabla 6 Eficiencia diámetro 20 cm. [1] ................................................................................ 44
Tabla 7 Eficiencia diámetro 30 cm. [1] ................................................................................ 44
Tabla 8 Eficiencia diámetro 40 cm. [1] ................................................................................ 45
Tabla 7. Temperatura alcanzada en la cámara de secado de acuerdo al número de
resistencias encendidas. ........................................................................................................ 53
Tabla 8. Resultados pruebas................................................................................................ 55
LISTA DE GRAFICAS
Gráfico 1. Diámetros promedio de las partículas. Fuente Autor.......................................... 20
Gráfico 2. Densidades de materiales (granel). Fuente Autor................................................ 21
Gráfico 3. Curva de secado para lentejas. Fuente Autor...................................................... 56
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SÍMBOLOS LETRAS GRIEGAS
A Área de la cámara de secado 2m p∆ Caída de presión
pD Diámetro de la partícula m ρ∆ Diferencia de densidad
g Gravedad 2
ms
ε Porosidad del lecho
G Flujo másico 3
Kgm
Mε Porosidad mínima fluidización
L Altura del lecho m µ Viscosidad m Masa Kg ρ Densidad del gas n Eficiencia en ventiladores centrífugos pρ Densidad de una partícula p Presión Pa sφ Esfericidad. Re Número de Reynolds
ps Área de la superficie de una partícula. 2m t Tiempo s T Temperatura 0 ,C K
pv Volumen de una sola partícula 3m
MV Velocidad mínima de fluidización ms
tu Velocidad Terminal ms
W Energía perdida del sistema J
Kg
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RESUMEN
Este trabajo se centra en el desarrollo de un secador de lecho fijo y fluidizado para
materiales granulados.
Algunos aspectos generales del secador son su versatilidad en cuanto al manejo
de diversos materiales ya que puede variar velocidades y temperaturas y así
adecuarse a las necesidades de cada material, es también de tamaño reducido, lo
cual permite poder ubicar el equipo en un espacio pequeño y también de gran
movilidad para poder ubicarlo donde se requiera.
Para el desarrollo de este secador de lecho fijo se requirieron etapas de estudio y
diseño con el fin de realizar un acercamiento hacia las características que se
requerían de éste secador. Se verificó el correcto funcionamiento del secador y se
realizaron pruebas con el fin de identificar los factores que influenciaban el secado
en lecho fluidizado.
El secador está compuesto por un ventilador centrífugo a la entrada, el cual
permite la entrada de aire requerida al sistema, luego el aire pasa por una sección
de calentamiento en donde alcanza la temperatura deseada para cada material y
pasa a la cámara de secado en donde está el lecho del material a secar. Después
de pasar por la cámara de secado el aire cargado de humedad se dirige por la
tubería de conducción hasta el ciclón en donde se separan las partículas
pequeñas del aire de salida para evitar la contaminación del ambiente de trabajo.
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1. INTRODUCCIÓN
El uso y aplicación de nuevas tecnologías que permitan el mejoramiento de la
calidad y faciliten la obtención de mejores resultados a nivel productivo es hoy en
día un claro objetivo a seguir por parte de las industrias a nivel global. Enfrentar
los retos que presenta una economía globalizada es una labor cada día más
compleja que no permite el desaprovechamiento de los recursos disponibles,
razón por la cual es de vital importancia el mejoramiento de la industria
fundamentado en los conocimientos científicos que surgen día a día.
Las condiciones cambiantes en las economías mundiales y la unificación de éstas
ya de cara a tratados de libre comercio, exigen por parte de productores un
esfuerzo por mantener calidad en los productos y a la vez generar una reducción
en costos que no puede darse sin la inclusión de procesos industriales óptimos.
Dadas las condiciones presentadas anteriormente es de gran interés para la
industria el poder incluir tecnologías que permitan mejorar la competitividad en un
marco tanto local como internacional, por lo cual es de gran importancia contar
con equipos que permitan realizar pruebas a nivel de laboratorio en donde se
generen las condiciones necesarias para la investigación y desarrollo de
alternativas que permitan una futura aplicación.
El uso de secadores de lecho fluidizado a pesar de ser un alternativa ampliamente
utilizada en varios países, en Colombia no está ampliamente difundida, debido a
factores como falta de conocimiento de la tecnología o simplemente por los costos
que genera el implementar tecnología que aún no se ha desarrollado localmente.
Razones como las citadas anteriormente generan la necesidad de verificar éstos
conocimientos, desarrollarlos y adaptarlos a las necesidades locales.
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2. ANTECEDENTES
Actualmente el uso de lecho fluidizado se presenta en un amplio rango de
aplicaciones a nivel comercial, parte de estas aplicaciones se encuentra en
cámaras de combustión, en donde se pueden obtener reducción de emisiones y la
flexibilidad en la quema de combustibles de bajo del poder calorífico [2], también
está presente en la industria farmacéutica ya para el secado “como operación
unitaria después del proceso de granulación húmeda (para elaborar cápsulas,
polvos o tabletas)”[3] y en aplicaciones agroindustriales como lo es el secado del
arroz y otros productos granulados.
El desarrollo en el campo de los secadores no ha sido muy difundido pero se
encuentran propuestas como la de Angélica Cárdenas quién para su trabajo de
grado como ingeniera química propone “Construcción y puesta en marcha de un
secador de bandejas directo para la obtención de curvas de secado”, trabajo con
el cual se construye un secador de bandejas con el fin de obtener curvas de
secado y se genera un manual de manejo y mantenimiento del equipo lo cual
permite obtención de curvas a diferentes condiciones de temperatura y humedad.
El equipo que está disponible en los laboratorios del CITEC, surge de la necesidad
de generar un apoyo a la parte teórica que se presenta en cursos de la
universidad, “que permitan visualizar de manera real los fenómenos de
transferencia de masa y calor que ocurren durante un proceso de secado”[6].
Se encuentran propuestas de trabajo para secadores de lecho fluidizado como es
el caso de Carlos Andrés Pérez, quién en su trabajo de grado para maestría en
ingeniería mecánica desarrolla “Elaboración de un sistema de presecado en la
industria molinera de arroz en Colombia”
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3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema se genera a partir de la necesidad de realizar pruebas a nivel
laboratorio que permitan obtener información acerca de los diferentes tipos de
secado que se pueden aplicar a diversos materiales granulados y de la poca
eficiencia en los sistemas utilizados para el secado de granos en especial para el
arroz ya que los sistemas convencionales de secado no permiten el control de
características como homogeneidad de secado y distribuciones de temperatura
uniformes e incluyen problemas como tiempos largos de secado y falta de
continuidad en el proceso, requerimientos básicos para el manejo de productos
en la industria actual.
Por lo anterior mi interés es desarrollar un secador convectivo de lecho fijo y
fluidizado, para tener una herramienta que permita analizar y a su vez visualizar el
proceso de secado en granos y así facilitar el estudio y posterior aplicación de
éstos procesos en diferentes materiales granulados. Encaminado lo anterior hacia
a un mayor acercamiento entre las necesidades de la industria actual y los
conocimientos obtenidos, unión fundamental para el desarrollo industrial del país.
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4. OBJETIVOS
4.1 Objetivo General
Desarrollar un secador convectivo de lecho fijo y fluidizado para materiales
granulados para uso en laboratorio
4.2 Objetivos Específicos
Especificación de los requerimientos de diseño.
Diseño del secador de acuerdo a bases teóricas.
Construcción y puesta a punto del secador.
Evaluación del secador.
Documentación del proceso.
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5. ASPECTOS GENERALES DEL SECADO
5.1 El secado
El secado en el caso de los sólidos es un proceso que consiste en retirar el
contenido de agua presente en éstos. Este proceso se realiza generalmente
utilizando una corriente de gas seco o con poca humedad, aunque también se
puede realizar por diferentes medios mecánicos.
Para retirar los excesos de humedad de un sólido existen procesos mecánicos a
los cuales se pueden someter como son el uso de centrifuga métodos de filtración
y prensado que permiten extraer de los sólidos el contenido de líquido presente
en ellos, el método térmico es el que presenta los mejores resultados a la hora
retirar ciertos niveles en el contenido líquido ya que generalmente se utiliza
cuando el contenido de humedad es bajo o cuando ya se han retirado contenidos
de humedad por otros medios incluyendo el mecánico.
5.2 Secado en lecho fluidizado
Una gran cantidad y variedad de materiales sólidos se secan por medio del lecho
fluidizado, debido en parte a la suspensión y movimiento generado sobre las
partículas por una corriente de aire, con lo se cual maximiza la exposición de la
superficie sólida al aire o gas, produciendo una evaporación eficiente, y
permitiendo a la vez realizar procesos continuos en los que el material sólido va
atravesando el secador a medida que obtiene el nivel deseado de humedad. Los
principales factores que influyen en un proceso de secado por medio de lecho
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fluidizado son el flujo de aire, las condiciones de temperatura y también la
condiciones de humedad. Para poder comprender y controlar el proceso en el
lecho fluidizado, es importante aprender cómo el flujo de aire es generado,
condicionado y distribuido a través del lecho durante el secado. [4]
Ilustración 1. Diagrama esquemático de un secador de lecho fluidizado. Fuente Autor.
Los secadores de lecho fluidizado se han expandido a medida que los
constructores de equipos han proveído diferentes formas de controlar el flujo de
aire a través del secador mediante el uso y aplicación de controles sofisticados,
que permiten realizar un monitoreo computarizado de los diferentes parámetros
implicados a la hora de realizar el secado.
En el lecho fluidizado se presenta una corriente de aire o gas que atraviesa de
manera vertical la base del lecho con lo cual se genera el movimiento de las
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partículas presentes en el mismo. Este movimiento de partículas y debido al
arrastre que se genera con el fluido expande el lecho haciendo que las partículas
se separen unas de otras. A velocidades mayores las partículas quedan
suspendidas en la corriente de gas, en este punto el peso del lecho es igual al
arrastre generado sobre la partícula, las fuerzas de fricción que se generaban al
estar en contacto con las otras partículas también desaparecen y la caída de
presión en cualquier sección del lecho es igual al peso de las partículas y el gas
en esa sección. Se dice que existe una fluidización incipiente cuando la velocidad
del gas en el lecho es igual a la velocidad mínima de fluidización.
Existen varios tipos de fluidización que se pueden presentar en un lecho,
dependiendo de la velocidad de fluidización y de las características del material,
como son el contenido de humedad, forma y densidad.
Lecho de canal transversal
En este tipo de fluidización se genera una burbuja de aire que separa al lecho en
dos secciones ocupando toda la sección transversal del lecho. Ilustración 2a.
Lecho en ebullición
Este tipo de lecho fluidizado es en donde las burbujas de gas presentes en el
lecho son aproximadamente del mismo tamaño que las partículas que se están
fluidizando, por lo que se da una uniformidad en toda la sección de fluidización.
Ilustración 2b.
Lecho acanalado
En esta fluidización es donde el aire o gas forma un canal vertical a través del
lecho por donde pasa la mayor parte del fluido y evitando que las partículas
puedan tener una mejor movilidad. Ilustración 2c.
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Lecho de chorro
En este lecho es donde el aire forma una única abertura a través del lecho similar
al descrito anteriormente pero en este caso las partículas alcanzan a fluir de una
mejor manera desde la parte inferior hacia las paredes de la cámara. Cuando este
lecho presenta altas velocidades de fluidización la agitación de las partículas es
mucho mayor por lo que el movimiento de los sólidos es más vigoroso, adicional
a lo anterior el lecho no sufre de una expansión notable en su volumen cuando la
velocidad del lecho es la velocidad mínima de fluidización [4]. Ilustración 2d.
Ilustración 2. Diferentes tipos de lechos fluidizados. Fuente [4]
5.2.1 Condiciones del aire
En el secado por lecho fluidizado el aire utilizado es fundamental para el proceso,
razón por la cual es de gran importancia monitorear variables como la
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temperatura, contenido de humedad y velocidad constantemente para obtener un
proceso de secado óptimo.
Durante el periodo de secado el producto pasa por tres diferentes fases de
temperatura. Al inicio del proceso, el material es calentado de temperatura
ambiente a aproximadamente al temperatura de bulbo húmedo del aire en el
secador. Esta temperatura es mantenida hasta que el contenido de humedad del
material es reducido a su contenido crítico. En este punto el material no presenta
agua en su superficie y la temperatura comienza a incrementarse. En algunos
casos la temperatura del material se incrementa hasta alcanzar la temperatura del
aire en el secador, pero en la mayoría de procesos el secado es detenido antes de
alcanzar esta temperatura.
Ilustración 3. Fases de temperatura. Fuente [6]
La capacidad de secado del aire depende del contenido de humedad relativa del
aire con el cual se pretende secar. A un valor de 100% de humedad relativa el aire
esta reteniendo su contenido máximo de agua, lo cual no le permite extraer mayor
humedad durante un ciclo de secado, pero al modificar este valor de humedad
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relativa y hacerlo más pequeño mediante un aumento en la temperatura se logra
que el aire pueda contener una mayor cantidad de humedad [4].
5.2.2 Humedad de equilibrio
El aire que es utilizado en el proceso de secado no esta libre de humedad, de
hecho tiene un contenido de humedad que puede variar de acuerdo a las
condiciones atmosféricas presentes. Este contenido de humedad al entrar en un
proceso de secado va en aumento al evaporar el líquido presente en el material de
secado hasta llegar a una humedad de equilibrio en donde el gas no puede extraer
más humedad del sólido.
5.2.3 Agua libre y ligada
Al considerar un rango amplio de productos entre los que se incluyen alimentos,
productos farmacéuticos, y polímeros, se encuentra que en la mayor parte de
éstos, especialmente en los alimentos, el contenido de agua varía
considerablemente de un producto a otro. Estos contenidos de agua pueden estar
presentes en dos formas: como agua libre que es como se encuentra la mayor
parte del agua y que puede extraerse con gran facilidad o también se puede
presentar como agua ligada.
El agua libre es el contenido de agua presente dentro de los poros por lo cual es
mucho más sencillo retirarla que si se tratara de agua ligada, que generalmente
se encuentra adherida a las paredes de la matriz sólida mediante fuerzas de tipo
eléctrico.
5.2.4 Condiciones para la fluidización
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Hay que tener en cuenta varios factores al momento de realizar la fluidización en
un lecho como son la velocidad mínima de fluidización que varía de acuerdo al
material ya que va ligada a las propiedades físicas de éste como son la densidad y
tamaño de partícula. También hay que tener presentes las necesidades y
requerimientos para el tipo de secado que se va a llevar a cabo, dado que de esto
depende la clase de secador de lecho fluidizado que se va a seleccionar.
Teniendo lo anterior presente se deben seleccionar los materiales a secar para
obtener de ellos características físicas como volúmenes, áreas superficiales,
densidades, tamaños de partículas, contenidos de humedad y algunas
características del proceso de secado como son humedades finales y
temperaturas de secado de los materiales. Lo anterior con el fin de hallar
correctamente las condiciones a las cuales el secador debe funcionar para no
arruinar el producto, lograr la velocidad de fluidización adecuada de acuerdo a los
cálculos pertinentes y obtener tiempos de secado que optimicen el resultado
cuando se trate de procesos continuos.
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6. DISEÑO DEL SECADOR
Para diseñar un secador de lecho fijo y fluidizado hay que tener en cuanta varios
factores como son: contenido de humedad del sólido a la entrada del secador,
contenido humedad del sólido a la salida, contenido de humedad del aire a la
entrada del sistema, temperatura del aire a la entrada, flujo de aire a la entrada,
temperatura del aire después de su paso por el calentador, contenido de humedad
después de pasar por el calentador, temperatura del aire a la salida, contenido del
aire a la salida y flujo de aire a la salida. Los anteriores factores son variables del
sistema, que permiten obtener variación en tiempos y en contenidos de humedad
de los sólidos de acuerdo a la manipulación que de ellos se realice.
6.1 Condiciones iniciales para el diseño
El tamaño máximo de partícula para las aplicaciones de lecho fluidizado que se
decide utilizar es de 3 mm., ya que al superar este tamaño de partícula los de
potencia del ventilador necesarios para poder fluidizar el material comienzan a ser
muy elevados y de acuerdo a la literatura [8], el valor máximo de partícula que se
puede llegar a fluidizar está al rededor de los 10 mm., así que para facilitar la
obtención de los equipos necesarios y fundamentales como el ventilador se parte
con valor de diámetro enunciado anteriormente como base de desarrollo del
proyecto. Algunos tamaños de materiales comúnmente utilizados en la industria
nacional se pueden observar en el gráfico 1, en donde se aprecia la diferencia
existente entre los diámetros de diversos materiales, lo cual resalta la importancia
de la versatilidad del equipo a diseñar.
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Gráfico 1. Diámetros promedio de las partículas. Fuente Autor.
Al diseñar y fabricar un secador con un propósito múltiple como en este caso, ya
que no se especifica un solo material para secar sino que debe abarcar una
amplia gama de productos granulados como pueden ser alimentos entre los que
se incluyen café, arroz paddy, comida para bebés, productos para aplicaciones
industriales como la arena, cerámicos, detergentes, fertilizantes, pigmentos y
tintes polietileno e inclusive vidrio triturado, se debe tener un equipo que sea
versátil porque los productos son muy diferentes entre sí en cuanto a
características como densidad, tamaño de partícula, temperaturas de secado,
contenidos de humedad y por consiguiente velocidades de fluidización y tiempos
de secado. Para ver mejor este aspecto los materiales enunciados en el gráfico 1
se muestran en el gráfico 2 de acuerdo a su densidad.
DIAMETRO PARTICULAS
0
123456789
ArenaHumeda
ArrozPaddy
Café engrano
Polietilenobaja
VidrioTriturado
(mm)
21
DENSIDADES PRODUCTOS
0
500
1000
1500
2000
2500
ArenaHumeda
ArrozPaddy
Café engrano
Poliet ilenobaja
VidrioTriturado
(Kg/m3)
Gráfico 2. Densidades de materiales (granel). Fuente Autor.
Con lo anterior se puede ver que el equipo debe adaptarse a las necesidades del
material a secar, es decir debe poder ajustarse su velocidad y temperatura de
acuerdo a las necesidades de fluidización y secado presentes en cada caso.
Como se trata de un equipo de laboratorio no puede ser muy grande ni consumir
demasiada potencia ya que debe poder ubicarse en espacios reducidos y
funcionar en lugares donde posiblemente se encuentren funcionando varios
equipos al mismo tiempo. Lo anterior quiere decir que el consumo de potencia no
debe ser tan elevado como para causar interferencias en la red eléctrica. El equipo
debe poder desplazarse de un lugar a otro en lo posible por un solo operario así
que también entran en juego otras variables adicionales como son el tamaño y el
peso.
El secador debe constar de un ventilador centrifugo a la entrada, el cual permite el
ingreso del aire requerido por el sistema, luego el aire pasa por una sección de
calentamiento en donde alcanza la temperatura deseada para cada material y
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pasa a la cámara de secado en donde está el lecho del material a secar. Después
de pasar por la cámara de secado el aire cargado de humedad se dirige por la
tubería de conducción hasta el ciclón en donde se separan las partículas
pequeñas del aire de salida para evitar la contaminación del ambiente de trabajo.
Ver Ilustración 4.
Ilustración 4. Diagrama partes componentes del secador de lecho fluidizado. Fuente [4]
6.2 Diseño de la cámara
Para el diseño de la cámara de secado se tuvo en cuenta varios factores que
permitieran la obtención de un sistema fácil de utilizar, con un bajo mantenimiento
y un muy sencillo montaje e instalación al momento de ensamblarlo por primera
vez y en posteriores veces cuando se requiriera la realización de mantenimientos
o reemplazo de piezas.
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Al comienzo del proyecto se trabajó con una sección transversal de cámara fija,
pero con el tiempo se modificó hasta alcanzar un valor que permitiera una mayor
versatilidad en cuanto al aprovechamiento de características como velocidades a
las cuales se podían fluidizar los materiales y también para aprovechar el manejo
de las temperaturas máximas a las cuales se podían secar algunos de los
materiales.
La velocidad mínima de fluidización enunciada anteriormente es una de las
variables más importantes a tener en cuenta al momento de diseñar la cámara
por lo cual se debe desarrollar con bastante detalle como se muestra a
continuación.
6.2.1 Velocidad mínima de fluidización
Uno de los parámetros fundamentales para el diseño de un secador de lecho
fluidizado es la velocidad mínima de fluidización. Este parámetro es esencial para
el correcto funcionamiento del secador en todas sus etapas. Es tomado como
base para la construcción de la cámara de secado y por consiguiente de todo el
secador.
La velocidad mínima de fluidización está estrechamente relacionada con las
propiedades del material a fluidizar y en general se puede decir que es la
velocidad del gas a la cual el peso de los sólidos que se desean fluidizar o en este
caso secar mediante fluidización, es vencido, es decir que es la velocidad en la
cual la fuerza de arrastre ejercida por el gas sobre las partículas es igual al peso
de las mismas.
De acuerdo a la teoría “El cálculo de la velocidad mínima de fluidización se puede
obtener considerando la caída de presión a través del lecho igual al peso del lecho
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por unidad de área de la sección transversal, teniendo en cuenta la fuerza de
flotación del fluido desplazado” [8].
(1 )( )pp g Le r rD = - -
Ecuación 1. Caída de presión [8].
Donde pr es la densidad de la partícula, r es la densidad del gas que se utiliza
para la fluidización y e es la porosidad del lecho que para este caso se toma de
acuerdo a la literatura como 0.4 a 0.45, cuando las partículas sean de forma
esférica o muy cercana a ella. En casos donde la partícula no sea esférica se
puede calcular la porosidad del lecho de acuerdo a la siguiente ecuación [8]:
0.029 0.0212
0.730.586 g
mcg pD
ρµε φ
ρρ η−
⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠
Ecuación 2. Porosidad del lecho [8].
Aunque otra ecuación comúnmente utilizada para el cálculo de la porosidad es [8]:
1/ 3
0.071mε φ
⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠
Ecuación 3. Porosidad del lecho [8].
Para los cálculos en este trabajo se utiliza la ecuación 3, se puede utilizar
cualquiera de las dos ecuaciones ya que los resultados aunque no son iguales si
son similares.
25
Tabla 1. Porosidades típicas en algunos lechos. [6].
Otro factor importante a tener en cuenta al momento de realizar los cálculos
correspondientes a la velocidad mínima de fluidización es la esfericidad, que es
una medida de la no idealidad de la forma de las partículas a fluidizar, es decir
este valor va a indicar que tan alejado o cercano de la forma de una esfera se
encuentra el material a fluidizar. La esfericidad es la razón del área superficial de
una esfera (cuyo volumen es igual a la partícula) al área superficial real de la
partícula
La ecuación utilizada para calcular el valor de la esfericidad parte de la ecuación
de volumen.
3
6p
p
DV
π=
Ecuación 4. Volumen partícula esférica [6].
En donde Vp es el volumen de la partícula y Dp es el diámetro de la partícula
2
s pA Dπ=
Ecuación 5. Área superficie de la partícula esférica [6].
26
Y al reemplazar el diámetro de la partícula en la ecuación de área de la superficie
se obtiene:
21/36 p
s
VA π
π
⎡ ⎤⎛ ⎞= ⎢ ⎥⎜ ⎟
⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦
Ecuación 6. Área superficie de la partícula [6].
Y para obtener la esfericidad es necesario dividir por el área de la superficie
2/ 3(6 / )ps
p p
VAA A
π πφ = =
Ecuación 7. Esfericidad [6].
Cuando las partículas presentan formas esféricas los valores usualmente
encontrados son cercanos a 1, aunque para la mayoría de materiales este se
encuentra por encima de 0.5, un valor inferior al anterior puede afectar el resultado
de los cálculos en gran medida. Para el caso en que el material presente una
distribución de diámetros de partículas, se debe primero hallar el diámetro medio
del conjunto de partículas con lo que luego se puede proceder a calcular la
esfericidad.
1/mp
i p
Df D
=Σ
Ecuación 8. Diámetro medio partícula [8].
En donde es la fracción de las partículas con un diámetro D pi . [7]
La siguiente tabla muestra los valores de esfericidad típicos de los materiales
comúnmente secados por medio de lecho fluidizado.
27
MATERIAL Esfericidad
Esferas, Cubos, Cilindros cortos 1
Arena fina 0.95
Arena redonda 0.83
Polvo de carbón 0.73
Arena de roca 0.65
Vidrios triturados 0.65
Tabla 2. Esfericidad de algunos materiales. Fuente [6].
El valor de esfericidad se toma como 0.8 como promedio del resultado de la
esfericidad de varios materiales dado que no se tiene un material específico sino
que son varios los materiales que se pretenden fluidizar y secar mediante este
equipo.
Retomando el cálculo de la caída de presión que se comenzó con la introducción
de la ecuación 1, se procede a incluir la porosidad ε como mε que es la
porosidad mínima necesaria para fluidización, con lo que se obtiene:
(1 )( )m pp
gL
ε ρ ρ∆
= − −
Ecuación 9 Caída de presión-expansión lecho [8].
La anterior ecuación toma ese nombre ya que al expandirse el lecho se genera
una caída de presión en el sistema.
De la ecuación de Ergun [8] para la caída de presión y al aplicarla al punto de
fluidización incipiente que es cuando las partículas presentan movimiento pero el
flujo de aire no es lo suficientemente alto como para generar una real fluidización
del lecho se obtiene:
28
2
2 2 3 3
150 (1 ) 1.75( )m M m
pp M p
V Vg
D Dµ ε ρ
ρ ρφ ε φ ε
−+ = −
Ecuación 10 Caída de presión Ergun.
El primer término de la parte izquierda de la ecuación se tiene en cuenta para
flujos laminares, es decir cuando el valor de Reynolds está por debajo de 100.
Para valores superiores a 1000 sólo hay que tomar el segundo término de la parte
izquierda de la ecuación. En caso que el valor de Reynolds se encuentre entre 100
y 1000 se deben aplicar la ecuación completa.
3 ( )
Re18
p pp
D gρ ρ ρµ
−=
Ecuación 11 Reynolds basado en el diámetro de la partícula [8].
Para calcular el valor de Reynolds basado en el diámetro de la partícula se toman
los siguientes datos
Diámetro de la partícula 3mm
Gravedad 9,81 m/s
Densidad del aire a 18 0C 0,91 Kg./m3
Presión en Bogotá 76000 Pa
Viscosidad del aire a 18 0C 2,23 x 10-5 N m/s2
Densidad de la partícula 2000 Kg./m3
Para los datos anteriores se obtiene un valor de Reynolds = 50.61 con lo que es
despreciable el segundo término de la ecuación 10. Variando el tamaño de la
partícula a 1 mm. se obtiene un valor = 1860.
29
3( )1.75
p p MD gVm
φ ρ ρ ερ
⎛ ⎞−= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
Ecuación 12 Velocidad mínima de fluidización [8].
La velocidad mínima de fluidización para el caso de los valores enunciados
anteriormente da como resultado una velocidad de 2.45 m/s.
Para hallar la velocidad terminal de las partículas, que es la máxima velocidad a la
cual pueden estar suspendidas las partículas en un medio fluido por efectos de
arrastre, se emplea la siguiente ecuación para un valor de Reynolds mayor a
1000:
1/ 2
3
( ) 1.751.75
( )p pt
M p p M
gDuV gD
ρ ρ ρρ ρ ρ ε
⎡ ⎤−⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎢ ⎥ −⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦
Ecuación 13. Velocidad terminal [8].
Al desarrollar la ecuación se eliminan términos y se obtiene:
3/ 2
2.32t
M M
uV ε
=
Ecuación 13 (a) Velocidad Terminal [8].
2 3
2 3
( ) 115018 ( )
8.33(1 )
p pt M
M p p M
t M
M M
gDuV g D
uV
ρ ρ εµµ ρ ρ φ ε
εφ ε
− −=
−
−=
Ecuación 14. Velocidad Terminal para Re < 1000 [8].
30
La velocidad terminal da 15.38 m/s, un valor alto pero debido a la densidad del
material es acertado.
En caso de obtener un valor de Reynolds por debajo de 1000 se debe utilizar la
ecuación 14 pero cuando este sea mayor de 1000 se utilizará la ecuación 13(a)
6.3 Dimensionamiento de la cámara
Ya con un valor presente de velocidad mínima de fluidización se procede a
calcular el flujo de aire necesario para una sección transversal cuadrada que de
acuerdo a procesos iterativos se especifica como 11 cm.
La altura de la cámara se especifica como 75 cm. para permitir que los materiales
a fluidizar logren mantenerse dentro de la cámara y a su vez permitan ser
observados a lo largo del ducto.
Ilustración 5. Cámara de secado construida.
31
6.4 Diseño del calentador
En el proceso de diseñar el calentador se debió tener en cuenta la potencia
necesaria para fluidizar el material con las características enunciadas
anteriormente a una velocidad que tiene que ser superior a 2.45 m/s, ya que ésta
velocidad es la mínima de fluidización en donde sólo se va a generar un
movimiento oscilatorio del material sin que se presente una fluidización completa.
Se decide entonces utilizar 1.5 veces la velocidad mínima de fluidización que es
de 3.67 m/s y que es inferior a la velocidad límite de 15.38 m/s, con el fin de
garantizar la fluidización y para no sobrepasar los límites en cuanto a la potencia
eléctrica que puede ser suministrada por el lugar en el cuál va a quedar ubicado el
equipo.
( )p f iq mC T T= −&
Ecuación 15. Transferencia de calor [7].
m& =Aρ MV Mε
Ecuación 16. Flujo másico en lecho fluidizado [7].
El calor específico Cp del aire es 1016 J*g/C, la temperatura final máxima que se
quiere alcanzar con la velocidad de 3.67 m/s es de 120 C, y el flujo másico es de
0.037 Kg/s, obtenido a partir de la ecuación 16. Con los datos anteriores se
obtiene q = 3823 W, que sería la potencia requerida para calentar el aire hasta la
temperatura deseada.
Modificando los valores de velocidad utilizando materiales con una densidad
menor, se puede lograr una mayor temperatura, por ejemplo para las condiciones
con las que se ha trabajado anteriormente pero variando la densidad del material a
700 Kg/m3 se puede llegar a alcanzar una temperatura de 180 C.
32
Ilustración 6. Resistencia en U.
Teniendo establecida la potencia requerida se procede a la selección de las
resistencias y dado que la aplicación es para calentar aire se seleccionan
resistencias fabricadas en inconel con forma en u y con aletas para una mejor
transferencia de calor. En total se seleccionan 4 resistencias con una potencia
de 800W a 220 V y una longitud de 25 cm. y una resistencia adicional de 500W,
para un total de 5 resistencias y 3700W. Las resistencias seleccionadas para esta
aplicación se pueden ver claramente en las ilustraciones 6 y 7.
33
Ilustración 7. Conectores resistencia
Las resistencias se ubican en una caja sellada con una entrada y una salida donde
se encuentra ubicada una válvula mariposa para tener un mejor control del flujo
del aire ya que flujo proveniente del ventilador es fijo. Ilustración [8].
Ilustración 8. Calentador, compuesto por resistencias, entrada de aire.
34
6.3 Selección del ventilador
Para poder fluidizar un lecho como es requisito en este caso, se debe contar con
la ayuda de un ventilador en el sistema con el cual se pueda superar las pérdidas
inherentes al equipo como son las pérdidas por fricción, al paso por la sección de
calentamiento, al paso por la malla que retiene el material a ser secado y también
que logre vencer la gravedad en el lecho que depende de la altura de éste como
se muestra en la ilustración 9, en donde el sistema debe generar la una velocidad
mínima para poder obtener una fluidización en el lecho.
Ilustración 9. Respuesta a velocidades superficiales. Fuente [6].
En este equipo el ventilador se ubicará en la parte inferior del sistema, antes de la
zona de calefacción por facilidad y comodidad de operación, ya que también
podría ubicarse a la salida del equipo, pero esto generaría inconvenientes de
estabilidad y manipulación del equipo. El ventilador debe ser capaz entonces de
35
vencer las pérdidas presentes y debe a la vez fluidizar el lecho a unas
condiciones establecidas de velocidad.
En caso de no poder cumplir con una fluidización adecuada del material, los
tiempos en los que se incurriría para realizar el secado correctamente serían
mucho mayores a los necesarios cuando la fluidización es la correcta. Es por lo
anterior que para realizar los cálculos del ventilador se van a tomar los valores
máximos de operación del equipo en cuanto a velocidades de fluidización, tamaño
y densidad de partículas.
2
2LlV
h fD g
=
Ecuación 17 Darcy-Weisbach pérdidas en tuberías [8].
En la siguiente tabla se calculan las pérdidas por fricción en partes como
expansiones, codos, paso por el lecho, paso por la malla de retención del material
y paso del aire por el calentador.
PERDIDAS POR FRICCIÓN
CANTIDAD NOMBRE PIEZA DESCRIPCIÓN VALOR (m)
1 Malla retención valor (m)
a1 área donde esta la malla 0,062
a2 área del tubo 0,078
N área libre porcentaje malla 0,5
a1/a2 0,795
Kl 2,58
2 Codo
36
D Diámetro 0,1
R radio de curvatura 0,9
r/D Kl 0,2
1 expansión cal
a1 0,078
a2 0,045
a2/a1 0,572
Kl 0,2
1 contracción calentador
a1 área tubo 0,078
a2 área sección calentador 0,045
Kl 0,182
2 contracción cámara
a1 área tubo 0,078
a2 área sección secador 0,062
Kl 0,366
1 Tubo
D 0,1
E 0,00015
e/D 0,0015
Re 4498,457
Kl Moody 0,22
37
1 paso por calentador
Kl paso por obstáculos 2,75
expansión cámara
a1 área tubo 0,078
a2 área sección cámara 0,0625
a2/a1 relación áreas 0,795
Kl coeficiente fricción 0,1
P 0,559
V mínima 3,67 3,776 3,72
G 9,8
V mínima 1.5 3,67 5,663 4,66
V mínima 2 4,90 7,551 6,22
V mínima Hl (m) cantidad partes (m)
Malla 1,78 1,00 1,78
Codo 0,15 2,00 0,29
Tubo 1,87 1,00 1,87
contracción calentador 0,13 1,00 0,13
expansión calentador 0,14 1,00 0,14
expansión cámara sec 0,07 1,00 0,07
38
contracción cámara sec 0,26 2,00 0,52
paso por calentador 2,00 1,00 2,00
paso por el lecho 123,03 1,00 123,03
TOTAL 129,83
Tabla 3. Cabeza de pérdidas por fricción para el secador.
Con los resultados anteriores se procede a calcular la potencia necesaria para
poder generar fluidización en el lecho con las condiciones anteriormente
establecidas.
Con un flujo másico de 0.037 Kg/s y n es de 0.6 para el caso de los ventiladores
centrífugos.
W h g= ⋅
Ecuación 18. Cálculo W para la obtención de potencia del ventilador.
pW
Wn
=
Ecuación 19. Eficiencia ventilador centrifugo.
pP W G= ⋅
Ecuación 20. Potencia ventilador en W
Donde G es el flujo en [Kg/ m3] y pW esta en [j/Kg], de lo cual se obtiene entonces
una potencia de 0.018 hp.
39
Ilustración 10. Conjunto ventilador motor.
Para el ventilador se utilizó un equipo disponible de 1hp con ventilador centrífugo
unido por medio de correa ya que estaba disponible en las intalaciones del Citec.
6.5 Diseño del Ciclón
El ciclón es parte fundamental en el desarrollo de un secador de lecho fluidizado,
debido en este caso a la diversidad de materiales que se piensan secar en el
equipo. El ciclón es un dispositivo típico usado en la separación de partículas en
corrientes de fluido, lo que va a permitir que en el flujo saliente de aire no lleve
consigo partículas más finas que afecten la calidad del aire ambiente y también
permite recuperar material que de otro modo se perdería con la corriente de aire.
40
Ilustración 11. Diagrama ciclón. Fuente: Autor
El ciclón consta de un cilindro vertical con una entrada de aire en la parte
superior, en la parte inferior del cilindro principal hay un cono o tolva que permite
que el aire suba y salga por un ducto que se extiende en la parte interna para
evitar que se presenten interferencias con el aire de entrada. La entrada de aire
del ciclón suele ser rectangular.
El aire que entra al ciclón recorre un camino en espiral de forma descendente, la
inercia de las partículas sólidas hace que se estrellen contra las paredes del ciclón
y luego resbalen hasta el recolector ubicado en la parte inferior del ciclón.
41
Ilustración 12. Recorrido de partículas en el ciclón. Fuente [1].
Algunas configuraciones de ciclones para remoción de partículas se pueden
agrupar según la siguiente tabla que recopila información empírica de varias
mediciones.
Alta Eficiencia Mediana
Eficiencia
Proposito General
Símbolo Descripción Stairmand Swift Shephard
& Lapple
Swift Peterson
& Whitby
D Diámetro del
cuerpo
1 1 1 1 1
a Altura de la
entrada
Ka =
a/D
0.5 0.44 0.5 0.5 0.583
b Ancho de la
entrada
Kb =
b/D
0.2 0.21 0.25 0.25 0.208
42
s Longitud de la
salida
KS =
S/D
0.5 0.5 0.625 0.6 0.583
De Diámetro de la
salida del gas
Kde =
De/D
0.5 0.4 0.5 0.5 0.5
h Altura del
cilindro
Kh =
h/D
1.5 1.4 2 1.75 1.33
H Altura total KH =
H/D
4 3.9 4 3.75 3.17
B Diámetro de
salida de
partículas
KB =
B/D
0.375 0.4 0.25 0.4 0.5
K No.
Configuración
551.3 699.2 402.9 381.8 342.3
NH Velocidad de
entrada
6.4 9.24 8 8 7.76
surf Parámetro de
superficie
3.67 3.57 3.78 3.65 3.2
K/NHsurf 23.5 21.2 13.3 13.1 13.8
Tabla 4. Eficiencias y dimensiones para diversos ciclones. Fuente [1].
Tomando como base la tabla anterior se procedió a realizar un análisis iterativo
variando los diámetros D del cuerpo del ciclón y con base en ellos con unos
tamaños y distribuciones de partículas que en general son pequeños porque el
interés de este ciclón es el de atrapar partículas con diámetros inferiores en gran
medida al tamaño de las partículas que se encuentran para secar.
Diseño Ciclón (m) (m) (m) (m)
43
Diámetro D 0.2 0.3 0.4
Altura entrada A 0.1 0.15 0.2
Ancho entrada B 0.04 0.06 0.08
Longitud salida S 0.1 0.15 0.2
Diámetro salida
gas De 0.1 0.15 0.2
Altura cilindro H 0.3 0.45 0.6
Altura total H 0.8 1.2 1.6
Diámetro salida
part. B 0.075 0.1125 0.15
Numero
configuración K 551.3 551.3 551.3
Velocidad
entrada Nh 1.28 1.92 2.56
Tabla 5. Dimensiones ciclón.
Con los valores anteriores se obtuvieron los siguientes resultados en cuanto a
valores de eficiencia para cada una de las dimensiones.
50%9
2pv e p
ubd
N V ρ=
Π
Ecuación 21. Tamaños de partículas
En donde u es la viscosidad del fluido, b es el ancho de la entrada Nv, son las
vueltas que se dan dentro del ciclón hasta alcanzar la mitad del cuerpo, Ve,
velocidad de entrada del fluido, pρ densidad de la partícula.
44
250%
11 ( / )j
p pj
nd d
=+
Ecuación 22. Eficiencia
Tabla 6 Eficiencia diámetro 20 cm. [1]
Tabla 7 Eficiencia diámetro 30 cm. [1]
45
Tabla 8 Eficiencia diámetro 40 cm. [1]
De lo anterior se concluye que el modelo más apropiado para esta aplicación es el
de menor diámetro, es decir el de 20 cm. cuyas dimensiones están especificadas
en la Tabla 5.
Ilustración 13. Ciclón construido en base a las dimensiones especificadas.
46
6.7 Controlador de temperatura
Para poder controlar la temperatura de secado dentro de la cámara se seleccionó
un controlador PID de temperatura marca omega de la serie CN 77000, este
controlador permite seleccionar entrada de 10 diferentes tipos de termopares,
cuenta con dos pantallas led en donde se muestra la temperatura del sistema y la
temperatura a la cual se desea que el proceso sea controlado. Los voltajes que
maneja el controlador varían entre 90 y 250 V lo cual lo hace muy versátil y
adaptable.
La instalación se realizó en una caja que va asegurada al marco, en donde se
instalaron las protecciones necesarias para su correcto funcionamiento, ésta caja
posee llave para evitar que el controlador sea manipulado por personal ajeno.
El termopar seleccionado para esta aplicación es uno tipo k con aislamiento en
fibra de vidrio con lo cual se obtiene una correcta lectura de la temperatura de la
cámara.
Algunas características del controlador son:
Tipos de entradas: Termopares, RTD, voltaje análogo, corriente análoga Resistividad de los Termopares: 100 A max. RTD : 2-, 3- or 4-cables; 100, 500 y 1000 A; 0.00385 o 0.00392 Pt Voltaje de entrada: 0 a 100 mV, 0 a 1 V, 0 a 10 V dc Corriente de entrada: 0 a 20 mA, 4 a 20 mA Polaridad: Unipolar Respuesta de escalón: 0.7 s a 99.9% Selección decimal: ninguna, 0.1 ó 0.01 Ajustes de Offset: -9999 a 9999
47
Ilustración 14. Caja de control de resistencias y controlador de temperatura.
Ilustración 15. Controlador de temperatura.
En la siguiente ilustración se muestra la instalación de cableado realizada para
poner en funcionamiento el controlador:
48
Ilustración 16. Conexión interna caja de control.
Ilustración 17. Diagrama conexión control de temperatura.
49
6.8 Selección de materiales y procesos de manufactura
Un punto importante a tratar en el diseño y construcción de un equipo como este
es el costo, y debido a limitaciones en el presupuesto se requiere de materiales
fáciles de conseguir, que resulten económicos y que al momento de realizar la
manufactura del equipo esta también resulte económica y de fácil adecuación a
las necesidades. Adicional a lo anterior se deben tener en cuenta factores como
las temperaturas de trabajo, la resistencia a la oxidación y el peso del equipo ya
que debe ser versátil en cuanto al desplazamiento, debe poder moverse de un
lugar a otro como se enunció anteriormente en las características del equipo.
Teniendo en cuenta los requerimientos anteriores se consideraron al momento de
realizar la construcción del equipo tres materiales que cumplen con las
características anteriormente descritas. Estos materiales son: acero inoxidable,
aluminio y acero galvanizado.
El aluminio fue descartado debido a la dificultad para soldarlo y a inconvenientes
como su alto costo El acero inoxidable que presenta excelentes propiedades
cuando de manejo de alimentos se trata y que al momento de realizar una
operación a gran escala de secado debería utilizarse en este tipo de equipos, pero
en esta aplicación en particular debido a su alto costo y también a que los
materiales que se van a secar con este equipo no van a ser consumidos sino que
van a ser utilizados estrictamente para pruebas se optó por el acero galvanizado.
Las razones por las cuales se decide realizar el secador en acero galvanizado,
incluyen aspectos como ser un material de bajo costo, resistente a la corrosión,
ampliamente usado en aplicaciones con aire y que por las razones anteriores si se
llegara a presentar la necesidad de reemplazar o modificar alguna pieza el costo
50
sería bajo si se compara con materiales de similares propiedades. El acero
galvanizado se requiere para la construcción del toda la parte estructural del
secador es decir para la cámara de calentamiento, ductos conectores, cámara de
secado y ciclón de finos.
51
7. CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO Y ENSAMBLE
El proceso de construcción del equipo, luego de la fase de diseño, se realizó con
la ayuda de una dobladora para la generación de las formas requeridas,
igualmente se requirió de soldadura para unir algunas partes. El proceso de
construcción y ensamble del secador tuvo una duración de 3 semanas en la que
se unieron las piezas del equipo luego de comprobar su correcto funcionamiento
por aparte.
La cámara de secado cuenta con dos mallas hechas en acero inoxidable, una a
cada extremo para permitir el flujo de aire y no dejar que el material escape. Se
tomo también como parte del montaje un marco ya disponible en CITEC, en donde
se ensamblaron todas las piezas luego de colocar algunos soportes adicionales,
como se aprecia el la ilustración 14. El marco permite la total movilidad del equipo.
El secador cuenta con una caja de control en donde van ubicados los interruptores
que permiten encender las resistencias.
En algunas uniones se usaron pegantes epóxicos como en el caso del ciclón, lo
que permitió evitar el uso de soldadura en estas piezas con el fin de poder
separarlos en caso de reemplazo de piezas o de inspecciones.
Posteriormente se procedió a realizar algunas pruebas de secado con el fin de
verificar el funcionamiento del equipo.
52
Ilustración 18. Vista lateral secador
Ilustración 19. Vista montaje ventilador motor
53
8. PUESTA A PUNTO
En esta etapa también se corrigieron algunos errores presentes de la fase de
ensamble como el sellado de fugas de aire, y se realizaron mediciones pertinentes
de los valores de temperaturas y velocidades que puede proveer el equipo.
El las tablas a continuación se muestran las temperaturas que se registraron al
encender una a una las resistencias para verificar la temperatura máxima.
Mediciones 1 Resistencia
2 Resistencias
3 Resistencias
4 Resistencias
5 Resistencias
1 32,5 43,2 52,2 60,2 85,2 2 33,2 43,3 52,4 59,8 85,3 3 33,7 43,5 52,5 60,1 85,4 4 33,8 43,2 52,3 60,4 85,8 5 34,6 44,1 52,6 60,2 86,2
Tabla 7. Temperatura alcanzada en la cámara de secado de acuerdo al número
de resistencias encendidas.
De la tabla anterior se aprecia que los valores de temperatura se mantienen
relativamente cercanos entre las mediciones, lo que permite realizar las pruebas
teniendo en cuenta la temperatura deseada de acuerdo al numero de resistencias
que se vayan a utilizar al momento de secar.
Se aprecia que las temperaturas obtenidas por el secador son inferiores a las
obtenidas en los cálculos y eso se debe a que el motor del ventilador cuenta con
una potencia mayor a la requerida generando así mayores velocidades y flujos
másicos por lo cual la potencia requerida para obtener un valor de temperatura
54
como el deseado se aumentaría enormemente. Este problema tiene solución
mediante la división de caudal total en una parte que pasa por el secador y otra
que se pierde a la atmósfera.
55
9. PRUEBAS Y RESULTADOS
Para realizar las mediciones se utilizaron un termopar, una balanza digital y un
anemómetro. El material seleccionado para realizar la prueba fueron granos de
lentejas, las cuales se dejaron sumergidas en agua para elevar su contenido de
humedad y luego proceder a realizar las pruebas.
En primer lugar se tomaron lentejas secas de las cuales se separaron 5 muestras
cada una con el mismo peso, se dejaron en agua durante un día y se llevaron al
secador. La temperatura seleccionada para realizar la prueba fue de 60 C, la cual
permite un secado rápido sin que se dañe el material.
Muestra Peso inicial (gr)
Peso húmedo (gr)
Peso 8 min (gr)
Peso 15 min (gr)
Peso final (gr)
tiempo secado (min)
1 160 260 212,3 185,3 165,3 20 2 160 256 206,2 183,2 155,8 20 3 161 260 208,4 184,2 158,3 20 4 162 261 207,2 183,8 160,1 20 5 160 262 206,8 182,6 155,2 20
Tabla 8. Resultados pruebas.
Se tomaron mediciones intermedias durante el secado lo cual dificultó un poco el
proceso ya que se debía retirar todo el material de la cámara, pesarlo y volver a
iniciar el secado, por esta razón solo se realizaron 4 mediciones sobre el peso del
material a medida que se secaba y con esos resultados se generaron las curvas
de secado. De los resultados obtenidos se puede apreciar una disminución inicial
del contenido de humedad mas pronunciado en la en los primeros minutos de
secado que al finalizar.
56
Gráfico 3. Curva de secado para lentejas. Fuente Autor.
Se puede apreciar que la primera muestra terminó con un peso superior al inicial
lo que quiere decir que conservó humedad y en las otras se ve una peso inferior al
inicial que se puede explicar debido a pérdida de material durante el secado, ya
que se presentaba un desprendimiento de la cáscara de las lentejas lo que hacia
que se fuera con la corriente y terminara en el ciclón.
Ilustración 20. Muestras de lentejas para secar.
Curva de secado
050
100
150
200
250
300
5 10 15 20tiempo (min)
Peso (gr)
Muestra 1Muestra 2Muestra 3Muestra 4Muestra 5
57
Ilustración 21. Material encontrado en el ciclón.
Ilustración 22. Material fluidizado.
58
10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El secador de lecho fluidizado permite realizar el secado de granos bajo diferentes
condiciones de temperatura y velocidad.
El equipo construido permite una fácil ubicación y desplazamiento para realizar las
pruebas donde sea necesario.
Se puede secar gran variedad de materiales granulados debido al manejo que se
puede dar a la temperatura con la cual se quiere secar y a la velocidad de
fluidización.
Con el uso de las lentejas se pudo apreciar correctamente el proceso de secado
mediante el lecho fluidizado y al realizar este proceso con diversas temperaturas
se obtendrán diferentes curvas que permitirán generar un proceso de secado
óptimos lo que también es aplicable a diversos materiales.
Para lograr mayores temperaturas se pueden ubicar dentro del calentador
resistencias adicionales o también se puede variar la velocidad del motor de con el
fin de disminuir el flujo de aire y así permitir un mejor calentamiento en el sistema.
59
11. MANUAL DE USUARIO
Para operar el equipo hay que revisar que el cableado se encuentre en buen
estado antes de encenderlo y que todos los interruptores se encuentre en
posición de apagado, todo esto con el fin de evitar accidentes.
El manejo del controlador es sencillo, se debe introducir la temperatura a la cual
se desea que el equipo opere y el controlador va a mostrar ésta temperatura junto
con la temperatura de operación. Para mayores detalles en cuanto a la operación
y otras funciones es recomendable consultar el manual.
El material a secar se debe introducir en la cámara antes de encender el
ventilador, igualmente se debe apagar antes de retirarlo, con fin de no perder las
muestras.
Se debe colocar un recipiente en la salida de polvo del ciclón para recolectar todas
las impurezas que presenten las muestras.
Al finalizar las pruebas se recomienda revisar que los interruptores de las
resistencias se encuentren en la posición apagado.
60
12. REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS
[1] http://aerosol.ees.ufl.edu/cyclone/section03.html, ultima consulta diciembre 10
de 2006.
[2] Energía y ambiente, Universidad Nacional de Colombia.
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/arauca/87061/docs_curso/C11_L1.htm
, última consulta septiembre 26 de 2006.
[3] Farmacotecnia. Universidad de Antioquia.
http://docencia.udea.edu.co/qf/farmacotecnia/06/intro.html, última consulta octubre
12 de 2006.
[4] Parikh Dilip M., Niro Inc. Airflow in Batch Fluid-Bed Processing
http://www.niroinc.com/html/pharma/pairflowarticle.html, última consulta diciembre
10 de 2006.
[5] CÁRDENAS Gómez Angélica del Pilar. Construcción y puesta en marcha de
un secador de bandejas directo para la obtención de curvas de secado. Bogotá
2005. Universidad de los Andes.
[6] Brown Lee F..and H. Scott Fogler Diffusion and Reaction in Porous Catalysts,
Fluidized Bed Reactors,
[7] Incropera. Frank P. Fundamentos de transferencia de calor. 4ta edición.
México: Prentice Hall, 1999.
[8] MC Cabe. Operaciones unitarias en ingeniería química. Mc graw hill. México
2002.
61
[9] M.K. Krokida_, C.T. Kiranoudis, Pareto design of fluidized bed dryers,
Department of Chemical Engineering, National Technical University of Athens, GR
15780, Athens, Greece, Decembre 1999.
[10] YANG Wen-Chin. Fluidization solids handling and processing, industrial
applications. Noyes publications. 1998.
62
ANEXO A. Fotografías del equipo
Ilustración 23. Conjunto secador.
Ilustración 24. Termopar.
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ANEXO B. Planos detallados del equipo construido.
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