Uso de una bandeja de secado para investigar la transferencia de calor convectiva y conductiva

El secado de bandejas es un proceso de transferencia de masa y calor por convección comúnmente utilizado en la industria para separar sólidos de líquidos. En el secado de bandejas, se pasa un chorro de gas caliente sobre un sólido húmedo para vaporizar el líquido. El proceso no requiere agitación y permite controlar la temperatura y otras propiedades. La flexibilidad del secado de bandejas permite su uso en la producción química, farmacéutica y alimentaria antes del envasado. Aunque parezca simple, el proceso generalmente requiere una experimentación exhaustiva para optimizar las condiciones de secado sin dañar el sólido. Este video ilustrará cómo funciona un secador de bandejas, demostrará un procedimiento típico para pruebas de secado y discutirá algunas aplicaciones.

Para empezar, veamos el funcionamiento de una secadora de bandejas. El diseño más básico emplea un marco metálico rectangular que consta de una entrada de aire, ventiladores, calentadores, un compartimento de bandeja y una salida. El sólido húmedo se carga en una bandeja poco profunda, que se coloca en el compartimento de la bandeja. Los ventiladores y calentadores fuerzan un chorro de gas caliente sobre la bandeja a una temperatura y un caudal cuidadosamente controlados. El líquido de la bandeja se evapora y se elimina del sólido. El secado de bandejas es un proceso por lotes, lo que significa que la adición y eliminación de sólidos de la secadora son pasos discretos que no pueden ocurrir simultáneamente. Sus ventajas sobre otros métodos de secado incluyen simplicidad y flexibilidad de operación, y costos fijos relativamente bajos. Sus desventajas incluyen altos costos de mano de obra y alto uso de energía, aunque este último puede compensarse en cierta medida filtrando y preformando el sólido. Ahora que hemos visto algunos conceptos básicos de cómo funciona la maquinaria de secado, veamos cómo se produce la separación.

La separación del líquido del sólido consta de dos pasos. En el primer paso, el gas transfiere calor al líquido a través de la convección, lo que hace que el líquido se evapore. La tasa de transferencia de calor y, por lo tanto, la tasa de evaporación, depende de la diferencia de temperatura entre el gas y el líquido y de una constante de proporcionalidad determinada empíricamente llamada "coeficiente de transferencia de calor convectivo". En el segundo paso, el líquido recién vaporizado se transfiere lejos de la interfaz a través de la transferencia de masa convectiva para evitar la recondensación. La velocidad de este proceso depende de la diferencia en la concentración de vapor entre la interfaz y la mayor parte de la corriente de gas. La constante de proporcionalidad empírica aquí es el coeficiente de transferencia de masa convectiva. Aunque los coeficientes se pueden estimar, son exclusivos del sólido que se está secando y de la geometría del secador de bandejas. Además, los coeficientes solo son válidos mientras la superficie sólida esté saturada. Después de que la humedad de la superficie se haya reducido significativamente, la velocidad de secado disminuirá a medida que el movimiento interno del líquido dentro del sólido se convierta en el mecanismo de transferencia de masa dominante. Ahora que conoce los principios, veamos el procedimiento de secado de muestra.

Esta demostración ilustra el secado de una lechada de arena y agua a varias temperaturas y velocidades del aire. Primero, revise la secadora para detectar riesgos de seguridad y asegúrese de que el psicrómetro y otros dispositivos de medición estén listos para usar. Prepara la lechada mezclando 500 gramos de arena con 150 gramos de agua. Vierta la lechada en la bandeja y asegúrese de que se distribuya uniformemente. Encienda la unidad y coloque la bandeja en la cámara de secado y registre el peso. Luego, encienda el soplador y la secadora. Ajuste la velocidad y la temperatura del aire para la prueba. Cada prueba durará 45 minutos y se tomarán mediciones a intervalos de cinco minutos. Use un termómetro digital para medir la temperatura del aire de entrada, la temperatura de la arena y la temperatura del aire de salida. Utilice el psicrómetro para medir las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo. Finalmente, registre el caudal de aire de salida y el peso de la balanza. Repita el proceso para cada conjunto de configuraciones, con un total de cuatro ejecuciones únicas. Cuando termine la carrera, use gráficos psicrométricos o herramientas similares para encontrar la humedad absoluta.

La tasa de evaporación para cada ensayo se determinó trazando el peso de la lechada en función del tiempo. El aumento de las temperaturas se correlacionó positivamente con la tasa de transferencia de calor conductivo y, por lo tanto, con la tasa de evaporación. El aumento de la velocidad del aire se asocia con mayores tasas de transferencia de calor convectivo y transferencia de masa, y también aumenta las tasas de evaporación. Existe una correlación lineal positiva entre la temperatura del aire y la tasa de evaporación, así como entre el flujo de aire y la tasa de evaporación. Sin embargo, la correlación experimental entre los coeficientes de transferencia de calor y masa fue más débil de lo previsto. Esto puede deberse a la humedad relativa en la interfaz aire-arena o al efecto de la velocidad del aire en el peso de la bandeja.

El secado de bandejas se aplica comúnmente en aplicaciones industriales, tanto en la producción de productos químicos especializados como en la fabricación a gran escala, donde los gastos de mano de obra no son demasiado grandes. Los secadores de bandejas se utilizan en la industria de procesamiento de alimentos, generalmente como el último paso de fabricación antes del empaque. Para aumentar las tasas de evaporación y controlar la calidad de los alimentos, la secadora puede equiparse con mecanismos de secado indirecto, como bandejas calentadas y calefacción por radiofrecuencia. Las condiciones de calentamiento se pueden alterar durante el ciclo de secado para evitar que los materiales sólidos se descompongan, se deformen o se agrieten. Los secadores de bandejas son especialmente útiles en instalaciones donde varios alimentos diferentes, preparados en cantidades variables, deben secarse en condiciones únicas de temperatura y humedad. Un diseño alternativo de secadora utiliza camiones de múltiples bandejas. En la industria farmacéutica, los camiones se utilizan para reducir el tiempo y la mano de obra y aumentar la uniformidad del producto. Este diseño utiliza recirculadores y deflectores para controlar el flujo de aire, evitar zonas muertas y mantener una temperatura y humedad constantes. En el caso de los productos químicos sensibles, se generan atmósferas inertes. Dado que el secado de bandejas es físicamente más suave que los métodos de lecho fluidizado o de volteo rotativo, es adecuado para el secado de materiales cristalinos pegajosos como polvos y medicamentos crudos.

Acabas de ver la introducción de JoVE al secador de bandejas. Ahora debe comprender los principios del secado de bandejas, un proceso para realizar experimentos de secado de bandejas y algunas aplicaciones. Gracias por mirar.