Transcript secado - IQ

GAS PERMANENTE-VAPOR CONDENSABLE
AIRE-AGUA
Humedad: Concentración de vapor en aire
Presión Temperatura
sólido
presión
Presión de vapor
líquido
vapor
temperatura
GAS PERMANENTE-VAPOR CONDENSABLE
AIRE-AGUA
Humedad: Concentración de vapor en aire
HUMEDAD ABSOLUTA Y: kg vapor agua/kg aire seco
Y 
YS 
PH
2O

18 . 02

18 . 02
P  PH 2 O 28 . 97
P
P
o
H 2O
o
PH 2 O
28 . 97
Temperatura
GAS PERMANENTE-VAPOR CONDENSABLE
AIRE-AGUA
Humedad: Concentración de vapor en aire
Y 
HUMEDAD ABSOLUTA
PH
2O

P  PH 2 O 28 . 97
PORCENTAJE HUMEDAD
  100 
 r  100 
o
PH 2 O
P  PH
2O
P  PH
2O
o
  r 
Y
YS
PORCENTAJE HUMEDAD RELATIVA
PH 2 O
18 . 02
GAS PERMANENTE-VAPOR CONDENSABLE
AIRE-AGUA
Humedad: Concentración de vapor en aire
Temperatura de rocío:
T saturación de una mezcla aire-vapor de agua
Comienza la condensación
Calor húmedo de mezcla aire + vapor de agua:
Cp aire: 1.005 kJ/kg aire seco·K
Cp vapor agua: 1.88 kJ/kg vapor agua:K
CpG = 1.005 +1.88 · Y kJ/kg aire·K
CpG = 0.24 + 0.45 · Y kcal/kg aire·K
GAS PERMANENTE-VAPOR CONDENSABLE
AIRE-AGUA
Volumen húmedo de mezcla aire + vapor de agua:
gas en C.N : 1 mol-g
vG 
22.4 l
1
 1

 T (K )  

Y 
273 . 15
 28 . 97 18 . 02

22 . 4
= (2.83·10-3 + 4.56·10-3 · Y) · T (K) [=] m3/kg aire seco
Entalpía de mezcla aire + vapor de agua:
HG= cpG · (T-To) + Y·lo
Si To = 0ºC:
HG = (1.005 +1.88 · Y)·T(ºC) + 2501.4·Y kJ/kg aire seco
HG = (0.24 +0.45 · Y)·T(ºC) + 596.4·Y kcal/kg aire seco
GAS PERMANENTE-VAPOR CONDENSABLE
AIRE-AGUA
GAS PERMANENTE-VAPOR CONDENSABLE
AIRE-AGUA
Temperatura de saturación adiabática:
Temperatura en estado estacionario cuando gran
cantidad de agua es puesta en contacto con aire
Aire
Y, T
Aire YS>Y,
TS<T
Referencia T = TS
Agua TS
Y  YS
T  TS
c pG  ( T  TS )  Y  l S  c pG  ( TS  TS )  Y S l S

c pG
lS

1 . 005  1 . 88  Y
lS
GAS PERMANENTE-VAPOR CONDENSABLE
AIRE-AGUA
GAS PERMANENTE-VAPOR CONDENSABLE
AIRE-AGUA
Temperatura de bulbo húmedo Tw:
Temperatura alcanzada, en estado estacionario, cuando
una pequeña cantidad de agua está en contacto en
condiciones adiabáticas con una corriente continua de gas
Agua
Aire
T, Y
Tw
Aire
T, Y
Calor necesario para vaporizar el agua
q = lw·PMaire·ky·(Yw-Y) YW, a Tw
Calor cedido por el gas q = hG·(T-Tw)
hG: coef transferencia calor gas
Y  Yw
T  Tw
hG

P M Aire  k y
lw
GAS PERMANENTE-VAPOR CONDENSABLE
AIRE-AGUA
Y  Yw
T  Tw
hG

P M Aire  k y
lw
Equivalencia de Lewis: hG = PM Aire·ky·CpG
Y  YS
T  TS

c pG
lS

1 . 005  1 . 88  Y
lS
Sistema aire-agua Tw≈TS
SECADO: EQUILIBRIO + CINÉTICA
EQUILIBRIO
Xt : Humedad total (kg agua/kg sólido seco)
X*: Humedad de equilibrio
N atura leza : Poros idad  X *
S Ó LID O
G ra nulo m e tría
H isto ria
A IR E
T e m peratura T 
X *= f
H u m edad
Y 
X *
X * ;
Y = 0 X *= 0
Diagramas de equilibrio de SECADO experimentales
Histéresis X*(secado o desorción) > X* (mojado o adsorción)
Díficil predicción teórica (Adsorción en multicapa)
Correlaciones empíricas (HENDERSON): Materiales agrícolas
EQUILIBRIO
EQUILIBRIO
EQUILIBRIO
X: Humedad libre = Xt - X* = f (sólido, aire)
Agua ligada: Humedad de equilibrio con aire saturado
Pº agua ligada < Pº agua
Humedad en células o tejidos con sustancias
disueltas
Agua en capilares
Agua en combinación química o fco-qca
Problemas de difusión de fluidos para eliminación por
contacto aire-agua.
Materiales higroscópicos: Humedad de agua ligada
EQUILIBRIO
X: Humedad libre = Xt - X* = f (sólido, aire)
Agua no ligada: Xt - agua ligada
Pº agua no ligada = Pº agua
Secado de agua no ligada →
Transf materia-energía agua-aire
El sólido únicamente influye en superficie expuesta al aire
Tsólido = Tw
Materiales húmedos: Humedad de agua no ligada
EQUILIBRIO
Humedad sólido
20
15
Agua no ligada
10
Humedad libre
Agua ligada
5
0
0
20
40
60
% Humedad relativa
80
100
CINÉTICA
CINÉTICA
CINÉTICA
R 
S

A
dX
t
 t
dt
 dt
0

S
A
X1

X
2
dX
R
1) Periodo de velocidad constante
R = constante; X1, X2 >XC
t
S
AR
(X1  X 2)
Para todo el periodo de R constante: X2=XC,
t
S
AR
(X1  X C )
CINÉTICA
R 
S
A

dX
t
 t
dt
 dt
0

S
A
X1

X
2
dX
R
Sólido húmedo S/A= 21.5 kg sólido seco·m-2
Secado desde X1= 0.38 kg agua/kg ss hasta X2= 0.25 kg agua/kg ss
t secado????
a) Curva X = f(t)
(S/A cte)
X1; t1=1.28 h
X2; t2=3.08 h
t = 3.08-1.28
t = 1.80 h
CINÉTICA
R  
S
A

dX
dt
t
 t 
 dt

0
S
A
X1

X2
dX
R
Sólido húmedo S/A= 21.5 kg sólido seco·m-2
Secado desde X1= 0.38 kg agua/kg ss hasta X2= 0.25 kg agua/kg ss
t secado????
b) Curva R = f (t)
X1 X2>Xc R = cte
Rc= R = 1.51kg agua/h·m2.
t 
S
A
X1

X2
dX
R
 t 
S
A ·R C
( X 1  X 2 )  1 . 85 h
CINÉTICA
2) Periodo de velocidad decreciente; X1, X2 <XC
R 
S
A

dX
t
 t
dt

 dt
S
A
0
X1

X
dX
2
R
 Se dispone de curva de secado: Integración gráfica 1/R = f(X)
 Tramo lineal: R = a·X + b (válido en muchos sólidos porosos)
R1 
dR  a  dX  t 


 ln

aA R R
aA
R2 
2
S X1  X 2
R1

R1  a  X 1  b

 ln
 t
A R1  R 2
R2

R2  a  X 2  b


S
R1
dR
S
Para todo el tramo lineal comprendido entre XC y X’:
t
S
A

XC  X '
RC  R '
 ln
RC
R'
CINÉTICA
2) Periodo de velocidad decreciente; X1, X2 <XC
 Se dispone de curva de secado: Integración gráfica 1/R = f(X)º
 Tramo lineal: R = a·X + b (válido en muchos sólidos porosos)
 Representamos R decreciente como línea recta, ordenada (0,0):
R = a·X
dR  a  dX  t 
R1
S
aA


dR
R2

R
S
aA
R1  a  X 1
R2  a  X 2
 ln
R1 

R2 
S X1
R1


t



ln

A R1
R2



R1=RC, X1=XC, R1/R2 = X1/X2
t
S
A

XC
RC
 ln
XC
X2
CINÉTICA
S=399 kg s.s. A=18.58m2
Secado desde X1=0.38 kg agua/kg ss hasta X2=0.04 kg agua/kg ss
t secado????
Periodo R=constante t???? desde X1 hasta Xc =0.195
t
S
A
X1

dX
Xc
S
 t
R
A ·R C
( X 1  X c )  2 . 63 h
Periodo R decreciente t???? desde Xc =0.195 hasta X2 =0.04
a) Integración gráfica
b) Estimación R = f(X):
X
R
1/R
X
R
1/R
0.195
1.51
0.663
0.065
0.71
1.41
0.150
1.21
0.826
0.05
0.37
2.70
0.100
0.90
1.11
0.04
0.27
3.70
t 
S
A
Xc

X2
dX
 4 . 06 h
Recta que pasa por (0,0) , (Xc, Rc)
t
SX
c
AR
c
ln
Rc
R2

SX
c
AR
c
R
tiempo de secado total = 2.63+4.06 = 6.69 h
ln
Xc
X2
 4 . 39 h
CINÉTICA
ECUACIONES DE PREDICCIÓN DE Rc
PERIODO DE R CONSTANTE = Rc
Superficie de sólido totalmente húmeda
Sólido sólo influye en el valor de S/A
T sólido = Tw
TRANSF DE MATERIA ↔ TRANSF DE CALOR
TRANSFERENCIA DE MATERIA (cinética de secado):
R(kg agua·m-2·s-1)= Nv (mol-kg.m-2·s-1)·Pmv (kg·mol-kg-1)
Nv 
ky
1  y ln
y i
 y   k y y i  y   k y
Pm g
Pm
v
Yi
 Y
CINÉTICA
ECUACIONES DE PREDICCIÓN DE R
PERIODO DE R CONSTANTE
Superficie de sólido totalmente húmeda
Sólido sólo influye en el valor de S/A
T sólido = Tw
TRANSF DE MATERIA ↔ TRANSF DE CALOR
TRANSFERENCIA DE CALOR necesario para evaporar
q(J·s-1) = Nv·Pmv (kg agua·m-2·s-1)·li(J·kg-1)·A(m2)
Si no existe radiación ni conducción
q = h·A·(T-Ti)
R = ky·Pmg·(Yi-Y) = q/(li·A) =h·(T-Ti)/li
MATERIA
=
CALOR
CINÉTICA
ECUACIONES DE PREDICCIÓN DE R
PERIODO DE R CONSTANTE
Superficie de sólido totalmente húmeda
Sólido sólo influye en el valor de S/A
T sólido = Tw
R = ky·Pmg·(Yi-Y) = q/(li·A) =h·(T-Ti)/li
MATERIA
=
CALOR
PREDICCIÓN DE R : CALOR O MATERIA???
CALOR: Menor influencia de errores en Ti
INTERFASE aire-agua, sólido húmedo: Ti =Tw; Yi =Yw; li = lw
Correlaciones de h en la literatura:
Flujo paralelo a la superficie
h= 0.0204·G0.8 (SI) h[=]W·m-2·K-1
h=0.0128·G0.8 (English) h[=]Btu·h-1ft-2F-1
45ºC<T<150ºC
2450 kg·h-1·m-2<G<29300 kg·h-1·m-2
0.61 m·s-1<u< 7.6 m·s-1
Flujo perpendicular a la superficie
h = 1.17·G0.37 (SI)
h = 0.37·G0.37 (English)
3900 kg·h-1·m-2<G<19500 kg·h-1·m-2
0.9 m·s-1<u< 4.6m·s-1
CINÉTICA
ECUACIONES DE PREDICCIÓN DE R
PERIODO DE R CONSTANTE
Superficie de sólido totalmente húmeda
Sólido sólo influye en el valor de S/A
T sólido = Tw
R  
S
A

dX
dt
t
 t 
 dt 
0
S
A
X1

X2
dX
R
CÁLCULO DEL TIEMPO DE SECADO. BATCH
R= Rc = ky·Pmg·(Yw-Y) = h·(T-Tw)/lw
t 
S
A ·R
X 1
 X2 
S·X 1  X 2 
A ·k y ·Pm g · Y w  Y 

S·l w ·X 1  X 2 
A ·h· T  T w 
Velocidad del gas G↑ h ↑ R ↑ t↓
(efecto ↓ con conducción o radiación)
Humedad del gas Y ↑ Tw ↑ R ↓ t ↑
Temperatura del gas T ↑: Tw↑ en menor proporción que T; R↑ t ↓
CINÉTICA
SECADERO INDIRECTO + DIRECTO
CONVECCIÓN + CONDUCCIÓN + RADIACIÓN
q = qC + qR + qK
CINÉTICA
SECADERO INDIRECTO + DIRECTO
CONVECCIÓN + CONDUCCIÓN + RADIACIÓN
q = qC + qR + qK
Convección: qC = hC · (T - TS) · A
Radiación: qR = hR· (TR - TS) · A
4
T

 TR

 100    S 100 




h R    ( 5 . 676 ) 
TR  TS
Conducción: qK = UK · ((T - TS) · A
UK 
1
1
hC

zm
Km

zs
Ks
4
CINÉTICA
SECADERO INDIRECTO + DIRECTO
CONVECCIÓN + CONDUCCIÓN + RADIACIÓN
q = qC + qR + qK
RC 
RC 
q
A  lS
 k y  Pm g  (Y S  Y )
( h C  U K )  (T  T S )  h R  (T R  T S )
lS
 k y  Pm g  (Y S  Y )
Tanteo (TS, YS) aire saturado
Siempre se cumple: TS > Tw, YS>Yw.
SECADO CONTINUO EN CONTRACORRIENTE
TRATAMIENTO CON UNIDADES DE TRANSFERENCIA
Balance de calor a un dz de secadero:
dqg=dqs+dqp
dqg: calor cedido por el gas
dqs: calor tomado por el sólido
dqp: pérdidas de calor al exterior = 0 Secadero adiabático
dqg=G·cpg·dT=dqs=U·A·(T-Ts)·dz
T: Temperatura del gas
Ts: Temperatura del sólido
U·A: Coeficiente de transmisión de calor · Área de transmisión.
Determinación experimental conjunta
z
G ·c pg
U ·A
Tentrada

Tsalida
dT
T  TS
 H 0 T ·N 0 T
SECADO CONTINUO EN CONTRACORRIENTE
TRATAMIENTO CINÉTICO
T, Y del aire varían
Calentamiento directo, sólo convección
Período de R = constante
Ts=Tw=Tinterfase
R  N V ·Pm
t

V
S
A
G S
1
t · ·
S A k y ·Pm g
Y1

YC

q
l w ·A
dX
 k y ·Pm g ·( Y w  Y ) 
h
lw
·( T  T w )
S·dX=G·dY→ dX=(G/S)·dY
R
dY
Yw  Y
t
Tw Yw constantes
G
A ·k y ·Pm g
·ln
Y w  Yc
Y w  Y1
SECADO CONTINUO EN CONTRACORRIENTE
TRATAMIENTO CINÉTICO
T, Y del aire varían
Calentamiento directo, sólo convección
Período de R decreciente
R = f(X) línea recta que pasa por los puntos (Xc, Rc) (0,0)
R  Rc
X
Xc
dX=(G/S)·dY
t
S
A

dX
R
 k y ·Pm g ·( Y w  Y )·
X
XC
X=X2+(G/S)·(Y-Y2)

S
Xc
Xc
A k y Pm g
G S
Xc
t · ·
S A k y Pm g

X2
dX
( Y w  Y )·X
1
X2 
G
S
( Yw  Y2 )
·ln
X c ( Yw  Y2 )
X 2 ( Y w  Yc )
SECADO CONTINUO EN CONTRACORRIENTE
TRATAMIENTO CINÉTICO
T, Y del aire varían
Calentamiento directo, sólo convección
Período de R decreciente
R = f(X) línea recta que pasa por los puntos (Xc, Rc) (0,0)
G S
Xc
t · ·
S A k y Pm g
1
X2 
G
S
( Yw  Y2 )
·ln
X c ( Yw  Y2 )
X 2 ( Y w  Yc )
Otra posibilidad de cálculo:
Rc basada en la transferencia de calor.
Sustituir:
Humedades del gas (Y) por temperaturas del gas (T)
(ky·Pmg) por (h/lw).
EQUIPO
EQUIPO
EQUIPO
EQUIPO
EQUIPO
EQUIPO