Constando de tres etapas básicas, el secado por aspersión comienza con la atomización de una alimentación de un líquido en un espray o finas gotas, el espray entra en contacto y es suspendido por una corriente de gas caliente, permitiendo la evaporación del líquido y sacando el sólido seco, en esencial con el mismo tamaño y forma que las gotas atomizadas. Finalmente, de la corriente de gas, el polvo seco es separado y colectado. El gas de secado empleado es tratado para alcanzar los requerimientos ambientales y entonces ser emitido a la atmósfera o, en algunos casos, re circulado al sistema.

La opción clave en atomización

Distintos tipos de atomización se pueden emplear, incluyendo centrífugo, boquilla neumática y atomización sónica. La atomización centrífuga emplea una rueda o disco rotatorio para romper la corriente de líquido en pequeñas gotas (Figura 4). Estos dispositivos funcionan normalmente en el rango de 5.000 a 25.000 RPM con diámetros de rueda de 5 a 50 cm. El tamaño de las gotitas producidas es casi inverso proporcional a la velocidad periférica de la rueda.

La distribución del tamaño de partícula sobre el medio es casi constante para un método dado de atomización. Techando el medio por si mismo puede variar desde tan pequeño como 15 µm hasta tan grande como 250 µm, dependiendo de la cantidad de energía transmitida al líquido. El flujo másico del líquido, su viscosidad, su contenido de sólidos y la tensión superficial, influyen directamente sobre el tamaño de partícula, pero ninguno al grado de la velocidad periférica de la rueda. En consecuencia un incremento en el caudal de alimentación puede incrementar ligeramente el tamaño de partícula, pero empleando un variador de velocidad sobre el atomizador centrífugo se facilita la corrección sobre el tamaño especificado.

Una ventaja de la atomización centrífuga es que las máquinas atomizadoras están disponibles en muchos tamaños. Una pequeña unidad a nivel laboratorio impulsada con aire maneja de 1 a 10 litros por hora de alimentación de líquido, mientras que las unidades comerciales más grandes operadas por un motor de 850 kW pueden manejar hasta 200,000 kg/h.

La segunda forma de atomización más común es la atomización con boquilla hidráulica a presión. Aquí el líquido es presurizado por medio de una bomba y forzado a pasar a través de un orificio para romper el líquido en finas gotas. El tamaño de los orificios está en el rango de 0.5 a 3 mm. Como resultado una simple boquilla está limitada al orden de 750 kg/h de alimentación, dependiendo de la presión, de la viscosidad, del contenido de sólidos y de la talla del orificio.

La mayor gota de presión a través del orificio produce gotitas más pequeñas. Por lo tanto, para reducir la talla de partícula para un flujo de alimentación dado, el inyector se debe quitar y reemplazar por uno con un orificio más pequeño. Esto alternadamente requiere una presión más alta de la bomba para alcanzar que la misma masa atraviese el inyector. Los sistemas muy grandes pueden tener tanto como 40 inyectores, haciendo difícil el control del tamaño de partícula.

Control preciso, no obstante, no siempre es requerido, and grandes secadores con múltiples boquillas son frecuentemente usados, cuando el único requerimiento es que el tamaño medio de partícula sea más grande.

Aunque las boquillas son considerablemente menos complicadas que los atomizadores centrífugos, se requiere una bomba de alta presión. Durante el secado de materiales abrasivos, las boquillas pueden tener problemas especiales. El potencial para tapar los orificios relativamente pequeños es otra desventaja para los sistemas de atomización basados en boquillas.

Un tercer método empleado principalmente en sistemas de secado pequeños es la atomización neumática de dos fluidos. Donde se logra la atomización por medio de la interacción del líquido con un segundo fluido, usualmente, aire comprimido. Ni el líquido ni el aire requieren de una presión verdaderamente alta. Puede ser un rango típico entre 200 y 350 kPa. El tamaño de partícula es controlado variando la relación entre flujo de aire comprimido y flujo de líquido.

La ventaja principal de esta forma de atomización es que el líquido tiene una velocidad relativamente baja al salir de la boquilla, por lo tanto, las gotitas requieren una trayectoria de vuelo más corta para secar. Esto hace a las boquillas de dos fluidos ideales para su uso en equipos de escala piloto y laboratorio.

Por último, un desarrollo más reciente es la atomización sónica. Aquí, energía ultrasónica es utilizada al hacer pasar el líquido sobre una superficie vibrando a frecuencias ultrasónicas. Estos sistemas son apropiados para producir gotitas muy finas a bajos flujos. Mayor desarrollo se necesita para que estos atomizadores encuentren mayor aceptación en el secado industrial para los rangos de capacidad y la diferente gama de productos a ser atomizados. Una cuenta detallada de diseños de atomizador, criterios y parámetros de selección y operación están disponibles [4].

Configuración del secador

Las gotas atomizadas que están formadas a corta distancia del dispositivo de atomización tienen una velocidad y dirección iniciales establecidas por el atomizador (Figura 5). Es necesario para los gases calientes el mezclarse con la nube de gotitas, comenzar la evaporación e influir en el movimiento de las gotas dentro del secador, de tal forma que puedan secarse suficientemente y no incrustarse al contacto con las paredes del secador. Esto se logra colocando el atomizador en, o adyacente a un dispersor de aire con diseño apropiado.

Figura 5. Patrones de flujo en secado por atomización.
Figura 5. Patrones de flujo en secado por atomización.

Una configuración co-corriente con atomizador de boquilla es conveniente para sustancias químicas commodity; un diseño con una boquilla de atomización contra corriente es más conveniente para productos que requieren tratamiento térmico; una unidad de flujo mezclado con atomizador de boquilla es ideal para polvos toscos de productos estables al calor.

El atomizador, el dispersor y la cámara de secado deben ser apropiadamente configurados para permitir el secado completo de todas las gotas sin depósitos de material húmedo sobre las superficies interiores del secador. En adición, el volumen total de la cámara de secado y del patrón de flujo de las gotas y del aire a través del secador deben de proveer el tiempo de contacto suficiente para permitir la evaporación de esencialmente todo el líquido. Como resultado, atomizadores centrífugos son usualmente instalados al centro del techo de un secador de diámetro relativamente largo.

El aire caliente se introduce a través del dispersor de aire montado en el techo, alrededor del atomizador, creando un flujo co-corriente de aire y producto. Por entrar en contacto con las gotas tan pronto como se forman, el aire caliente produce una rápida evaporación superficial y mantiene los sólidos relativamente fríos.

Debido a que el tiempo de evaporación es reducido y llega a ser limitante la difusión de líquido del centro de la gotita a la superficie, la partícula tiene que pasar a una región de enfriamiento del secador. Por lo tanto productos sensibles al calor pueden ser secados por atomización usando temperaturas elevadas de entrada de gas, aunque esas temperaturas dañen el producto en un horno o en otros procesos que no son co-corriente o tan rápidos como el secado por atomización. Cuan más grande el tamaño de partícula deseado en el polvo final, cuanto más grande debe ser el diámetro de la cámara de secado, a pesar del rendimiento total de unidad.

Cuando se necesitan polvos gruesos en pequeñas capacidades de producción, un atomizador de boquilla a presión en una configuración de fuente, es frecuentemente la más práctica. Aquí el rocío viaja hacia arriba hasta que es vencido por la gravedad y por el flujo de aire hacia abajo. Entonces invierte su dirección y cae. Por último, aterriza en el cono inferior de la cámara de secado.

El gran inconveniente en secadores de boquilla en fuente es que el proceso no es co-corriente. Más bien, es flujo mezclado, y realmente el secado empieza en una parte más fría del secador y continúa en la zona más caliente. Dado que cada gotita ya está en parte seca, se disminuye el efecto de enfriamiento por evaporación y el riesgo de degradación térmica llega a ser mayor. En ocasiones, una menor temperatura de los gases de entra resuelven este problema, pero también reducen la capacidad total de evaporación.

La tercera y más comúnmente usada configuración tiene una boquilla a presión en el techo del secador, atomizando a co-corriente con el aire caliente. Así, toma ventaja del enfriamiento por evaporación, pero frecuentemente requiere que el secador tenga un cilindro con 20 metros de altura. Estas "Torres de boquilla" son frecuentemente usadas para ingredientes alimenticios, colorantes, pesticidas y otros productos sensibles al calor que también deben estar en forma tosca de polvo de flujo libre.

Colectando el polvo seco

Una vez que el producto está seco como un polvo de flujo libre, este debe ser separado del gas de secado, el cual ahora está frío y contiene el líquido evaporado. Los polvos gruesos son fácilmente colectados directamente del fondo del cono de la cámara de secado. En este arreglo los gases de secado empleados salen a través de un ducto de salida situado al centro del cono. La inversión del flujo del gas permite que la fracción más grande del polvo se coloque en el cono, y resbale hacia la conexión inferior equipada, a menudo de una bolsa de aire.

Debido a que el gas empleado tiene contenido de polvo, ciclones o filtros de bolsas son frecuentemente usados para limpiar el gas. En algunos casos la combinación de ciclones seguidos por un depurador húmedo (scrubber), provee de mayor efectividad. Si el polvo es muy fino, una pequeña fracción es colectada en la cámara de secado. En este caso, los ciclones o el filtro de bolsas puede ser el punto principal de colección. La colección en la cámara se elimina usando una curva en U en la conexión de la cámara y los otros colectores para hacer pasar ambos, polvo y gas.

Flujo de gas de proceso

El flujo del gas de secado a través del sistema es abundante al igual que para cualquier sistema de secado de suspensión en gas. El calentamiento por combustión directa de gas natural resulta ser la más eficiente. Provisión de combustóleo o de propano se suministra a menudo cuando existe limitación de gas natural. Si es necesario el calentamiento indirecto se emplean calentadores de tubo y coraza o de tubos aletados con vapor fluido de transferencia de calor como fuentes de energía. Calentadores eléctricos se emplean para secadores de pequeña escala. No obstante, en algunos casos calor de desecho, proveniente de algún otro proceso se recupera, ya sea por inyección directa a la corriente de gas de secado o por medio de intercambiador de calor.

Ventiladores centrífugos industriales son empleados para mover el gas a través del sistema, empleando una combinación de arreglo forzado e inducido o arreglo inducido solamente. Si el gas de secado es aire ambiente este se filtra con filtros gruesos para retener hojas, polvo y así sucesivamente. Si se requiere un proceso de alta limpieza filtros para partículas de alta eficiencia se pueden emplear. Ducterías con sus apropiadas compuertas o dampers, juntas de expansión, aisladores de vibración y dispositivos de disminución de ruido se suministran con la mayoría de los secadores. Generalmente todo el equipo es revestido y aislado para reducir al mínimo pérdidas de calor y condensación, y evitar riesgos a las personas.

Diseño de proceso y control

La capacidad de evaporación en un secador por aspersión es directamente proporcional al producto entre el diferencial de las temperaturas de entrada y salida con el flujo másico del gas a través del sistema. La temperatura de salida se establece por el contenido de humedad deseado en el producto según la isoterma de equilibrio de ese producto. Dado que el equilibrio ideal nunca se alcanza, generalmente se determinan valores reales de forma experimental.

La temperatura de entrada se determina también por la experiencia y debe ser tan alta como sea posible, pero evitando el deterioro del producto. Así, para una capacidad de evaporación dada, el flujo necesario de gas de proceso puede ser determinado por la diferencia de temperaturas.

El tamaño de todos los componentes del sistema puede determinarse en base al flujo de gas. El tiempo de residencia del gas debe seleccionarse en base a la experiencia, basados en el tamaño de partícula deseada y las características conocidas del producto seco. Esto permite calcular de forma directa el volumen de la cámara de secado.

A este punto, el método de atomización ya debe estar seleccionado y adecuado a las dimensiones de la cámara para obtener el volumen y configuraciones deseados con respecto a la nube de atomización. Si no se sabe nada sobre el producto, uno necesita correr pruebas a escala piloto.

Una vez diseñado y construido el sistema de secado necesita controles bastante simples. Aunque uno deba hacer un cálculo aproximado del flujo de gas que atraviesa el secador, es generalmente mejor fijar el flujo a la tasa de diseño. Dado que la temperatura de salida determina el contenido de humedad en el producto final, la temperatura debe ser controlada y modulada con respecto a otros cambios en el sistema. En el caso sencillo la temperatura de salida controla el suministro de calor a la alimentación por medio de la temperatura de entrada, mientras se mantiene el flujo de alimentación constante. En efecto, secadores con un pequeño atomizador de boquilla hacen justamente esto usando la simple retroalimentación de un lazo de control. Una aproximación ligeramente más avanzada es utilizar "una configuración de control de cascada" en el cual el control de temperatura de salida, puede cambiar el "set point" del control de temperatura de entrada para alcanzar el nivel correcto de humedad en el producto final.

La caída de presión a través filtros y ciclones, y la presión en la cámara de secado son usualmente monitoreadas, no controladas, para asegurar con esto que el sistema opere apropiadamente. Los atomizadores centrífugos requieren monitoreo del flujo del aceite lubricante, su temperatura y vibración. Por otro lado, los sistemas de boquillas requieren monitoreo de la presión de alimentación.

Aunque un secador por aspersión puede ser operado con controles simples, está comenzando a ser normal la práctica de usar controles lógico programables (PLCs), los cuales ofrecen una amplia capacidad en monitoreo y funciones de alarmas. Además, estos PLCs pueden iniciar un arranque o paro programados. Incluso, ofrecen la posibilidad de registro de datos en una computadora personal, para el análisis de tendencias y otras características que se emplean en el control estadístico de procesos y otros programas de aseguramiento de calidad.

La cinética del secado

La relación entre el contenido de humedad de los sólidos a secar y la humedad relativa del gas de secado se describe mejor por medio del diagrama isotérmico de equilibrio o abreviando "isoterma" (Figura 2). Claramente: Cuanto más alta es la temperatura de un sólido en contacto con un gas a humedad constante, más seco es el sólido.

Así. Uno puede controlar el contenido de humedad del producto sólido por controlar su temperatura en presencia del gas a humedad constante. Inversamente, si la temperatura máxima está limitada por los requerimientos producto o del proceso, el contenido de humedad del producto puede ser controlada ajustando la humedad del gas.

No obstante, para crear las fuerzas de secado para evaporación de la humedad en la alimentación de sólidos húmedos. Uno debe poner en contacto la alimentación de sólidos con una corriente de gas teniendo a una temperatura requerida, considerablemente alta para alcanzar el equilibrio a la humedad final deseada. La diferencia de temperaturas determina la cantidad de evaporación que una cantidad dada de gas puede lograr.

Otro factor importante es la tasa en la cual la humedad abandona un producto mientras que el material pasa a través de un secador. Esta relación dinámica se ilustra mejor gráficamente (Figura 3). Del punto A al punto B, la evaporación es rápida y a una tasa constante. Esto se refiere como secado de orden cero. Esta forma de secado ocurre cuando la humedad libre se evapora de la superficie de las partículas sólidas.

Figura 2: Datos para la isoterma se obtienen por exponer una muestra del material a un ambiente en el que se mantiene a una humedad relativa conocida hasta que la muestra alcanza un peso constante.
Figura 2: Datos para la isoterma se obtienen por exponer una muestra del material a un ambiente en el que se mantiene a una humedad relativa conocida hasta que la muestra alcanza un peso constante.
  Figura 3: La cinética de secado puede ser influenciada por el tiempo de secado también como por la temperatura del producto.
Figura 3: La "cinética" de secado puede ser influenciada por el tiempo de secado también como por la temperatura del producto.

Más allá del punto B, el secado llega a ser más lento y el contenido de agua alcanza a menudo un equilibrio con el gas, incluso a temperaturas superiores al punto de ebullición del líquido que es evaporado. Esto ocurre cuando la humedad residual queda ocluida en micro poros o capilares o es física o químicamente absorbida. Este estado es llamado secado de primer orden. Examinar la curva de secado proporciona un entendimiento pleno del comportamiento de varios tipos de sistemas de secado de la suspensión de gas.

 

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