Cálculo de balance de calor y masa de secado por atomización: paso a paso

1. Balance de calor y masa del Secador por atomización

El secado por atomización es una operación unitaria de secado que ha encontrado muchas aplicaciones en diversas industrias (alimentos, farmacéutica, química...). Como operación de secado, es inherentemente un gran consumidor de energía. En un mundo marcado por el calentamiento global y que será cada vez más escaso en recursos naturales, la optimización y mejora de la eficiencia de los procesos industriales es crítica, si no solo una cuestión de supervivencia a largo plazo. Las empresas que fabrican productos mediante secado por atomización deben mejorar la eficiencia térmica de sus secadores por atomización para tener un proceso económico y reducir al máximo el impacto en el medio ambiente.

El balance de calor y masa es la herramienta a disposición de los Ingenieros para calcular la cantidad de calor que entra en el secador, la cantidad de calor que sale del secador y, por lo tanto, calcular su eficiencia. A partir del cálculo y análisis de cada corriente, se pueden extraer recomendaciones para mejorar la eficiencia térmica de un secador.

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2. Cálculo del balance de calor y masa del secador por atomización

Todo cálculo de balance de calor y masa comienza definiendo el sistema estudiado, con corrientes de entrada y salida. Un secador por atomización de una sola etapa se representa en el dibujo a continuación:

Con:

Ga = caudal másico de aire seco de entrada (kg/h)
Ta1 = temperatura del aire caliente que entra en el secador (°C)
Qa1 = entalpía del aire de entrada (J/kg)
H1 = humedad absoluta de entrada del aire (kg de agua / kg de aire seco)

Ta2 = temperatura del aire de salida del secador (°C)
Qa2 = entalpía del aire de salida (J/kg)
H2 = humedad absoluta del aire de salida (kg agua / kg aire seco)

Ms = caudal másico de sólidos secos de entrada (kg/h)
Ts1 = temperatura del alimentador de entrada (c)
Qs1 = entalpía del alimentador de entrada (J/kg)
Ws1 = humedad del alimentador (kg agua / kg producto seco)

Ts2 = temperatura de los sólidos de salida (c)
Qs2 = entalpía de los sólidos de entrada (J/kg)
Ws2 = humedad de los sólidos de salida (kg agua / kg producto seco)

Se asume que no hay sólidos que salgan del sistema con la corriente de aire, lo que no es totalmente correcto, especialmente cuando se utilizan ciclones como equipo de separación de sólidos y gas, probablemente es más cercano a la realidad cuando se utilizan filtros de bolsa.

Todos los balances siguen este principio:

Entrada + producción = Salida + Acumulación

2.1 Balance de Masa

Se puede realizar un balance de masa en agua (humedad). El secador se asume que ha estado en funcionamiento durante un tiempo y en etapa estable (no hay término de acumulación en el balance), también no hay producción de humedad en el secador, lo que significa [entrada = salida] :

Entrada :

• Agua en aire (kg agua / h) : Ga (kg aire seco / h) * H1 (kg agua / kg aire seco)
• Agua en alimentador (kg agua / h) = Ms (kg sólido seco / h) * Ws1 (kg agua / kg sólido seco)

Salida :

• Agua en aire (kg agua / h) : Ga (kg aire seco / h) * H2 (kg agua / kg aire seco)
• Agua en sólidos de salida (kg agua / h) = Ms (kg sólido seco / h) * Ws2 (kg agua / kg sólido seco)

Lo que da :

Ga*H1 + Ms*Ws1 = Ga*H2 + Ms*Ws2

Ms*(Ws1-Ws2) = Ga*(H2-H1)

2.2 Balance de Calor

El balance de calor también se realiza en un secador asumido en estado estable (no hay término de acumulación), también no hay producción de calor en el secador (el aire y el alimentador se calientan previamente), sin embargo, debe tenerse en cuenta un término de pérdida, debido al calor que escapa a través de las paredes del secador.

Entrada :

• Calor de entrada con aire (W) : Ga (kg aire seco / h) / 3600 * Qa1 (J / kg aire seco)
• Calor en alimentador (W) = Ms (kg sólido seco / h) / 3600 * Qs1 (J / kg sólido seco)

Salida :

• Calor de salida con aire (W) : Ga (kg aire seco / h) / 3600 * Qa2 (J / kg aire seco)
• Calor en sólidos de salida (W) = Ms (kg sólido seco / h) / 3600 * Qs2 (J / kg sólido seco)
• Pérdida de calor (W) = QL

Lo que da :

Ga*Qa1 + Ms*Qs1 = Ga*Qa2 + Ms*Qs2 + QL

2.2.1 Cálculo de la entalpía del aire húmedo

La entalpía de la corriente de aire húmedo se puede calcular con la siguiente fórmula :

Qa = Cs*(ΔT) + H.λ

Con :

Qa1 = entalpía del aire húmedo (J/kg)
Cs = calor específico del aire húmedo (J/K/kg aire seco)
ΔT = T - T0 = diferencia entre la temperatura real y la temperatura de referencia (K)
H = humedad absoluta del aire (kg de agua / kg de aire seco)
λ = entalpía de vaporización a la temperatura de referencia (J/kg)

La temperatura de referencia suele tomarse como el punto de congelación de agua (T0 = 273 K)

En la práctica, la fórmula de cálculo de aire húmedo a 273 K es:

Qa = (1005 + 1884*H).(T-273) + 2.5023.10¶⁶.H

2.2.2 Cálculo de la entalpía del flujo sólido

La entalpía del flujo sólido se puede calcular con la siguiente fórmula:

Q s₌ Cp ds_{*(ΔT) +}W s_{*Cp w}*(ΔT)_Con:Q s

= entalpía del flujo sólido húmedo (J/kg)

Cp ds_{= calor específico del sólido seco (J/K/kg)} ΔT = T - T 0
= diferencia entre la temperatura real y la temperatura de referencia (K)_{W s} = humedad del flujo (kg de agua / kg de producto seco)
Cp w_{: calor específico del agua (J/K/kg)} 3. Cálculo de la eficiencia térmica del pulverizador
La operación de interés en un pulverizador es el secado. La eficiencia térmica del pulverizador se estima calculando la cantidad de calor que se utiliza para evaporar el agua y comparándola con el calor total aportado al pulverizador._{Eficiencia térmica = (calor utilizado para evaporación) / (calor total aportado al pulverizador)} 3.1 Eficiencia térmica general
La eficiencia térmica general se puede estimar gracias a las temperaturas de las corrientes de aire:_Con: : specific heat of water (J/K/kg)

3. Spray dryer thermal efficiency calculation

The operation of interest in a spray dryer is drying. The thermal efficiency of the spray dryer is thus estimated by calculating the amount of heat that is actually used for evaporating water, and by comparing it to the total heat brought to the dryer.

Thermal efficiency = (heat used for evaporation) / (total heat input to the dryer)

3.1 Overall thermal efficiency

The overall thermal efficiency can be estimated thanks to the temperatures of the air streams :

With :

T₀ = temperatura atmosférica del aire de entrada antes de la calefacción (c)
T₁ = temperatura del aire de entrada calentado (c)
T₂ = temperatura del aire de salida en caso de operación adiabática (c)

La temperatura T₂ debe leerse en un diagrama psicrométrico. Defina las condiciones del aire calentado (temperatura del bulbo seco, humedad absoluta), luego siga la línea de entalpía constante hasta la curva de saturación. La temperatura en la curva de saturación es T2.

En el ejemplo de abajo, el aire a 15 °C (T₀) y 5 g de agua / kg de humedad absoluta del aire se calienta hasta 45 °C (T₁). No hay cambio en la humedad absoluta durante el calentamiento. En el secador, el aire se enfriará y absorberá humedad (ya que secará los sólidos), si la operación fuera adiabática, no habría intercambio de energía con el exterior, lo que significa que se realizaría a entalpía constante. La temperatura T₂ puede determinarse siguiendo la línea de entalpía constante hasta la curva de saturación. (siga A -> B -> C -> T₂ en el gráfico de ejemplo)

3.2 Eficiencia evaporativa

La eficiencia evaporativa se puede estimar gracias a las temperaturas de las corrientes de aire:

Con:

T₀ = temperatura atmosférica del aire de entrada antes de la calefacción (c)
T₁ = temperatura del aire de entrada calentado (c)
T_sat = temperatura de saturación adiabática (c)

La temperatura T_sat debe leerse en un diagrama psicrométrico.

3.3 Consumo energético específico (ESC)

El ESC se define como la relación entre la energía consumida en el secador y la cantidad de agua que se ha evaporado. Se expresa en kJ/kg (de agua evaporada).

Con:

ESC = Consumo energético específico (kJ/kg)
ΔH = energía consumida en el proceso de secado por aspersión (kJ/h)
m_agua = caudal de masa de agua evaporada (kg/h)

4. Mediciones experimentales

Para poder completar el balance de calor y masa de un secador por aspersión, es necesario medir algunos parámetros del proceso, típicamente:

• La tasa de caudal de alimentación (se puede hacer gracias a un medidor de caudal)
• Los sólidos totales (ST) de la alimentación (se puede hacer tomando una muestra de la alimentación)
• La temperatura de la alimentación (sensor de temperatura)
• La temperatura del aire atmosférico (uso de un sensor de temperatura)
• La humedad del aire atmosférico de entrada
• La temperatura del aire caliente
• La temperatura del aire de salida

Es entonces posible calcular el balance de calor y masa y, por lo tanto, la eficiencia energética del secador por aspersión.

5. Herramienta de cálculo gratuita en Excel: Balance de Calor y Masa (BCM) de Secado por Aspersión

Puede acceder a una calculadora gratuita de balance de calor y masa en Excel para realizar el cálculo del balance de calor y masa de secado por aspersión explicado anteriormente: Descarga de Balance de Calor y Masa de Secado por Aspersión (haz clic aquí)

Advertencia: esta calculadora se proporciona para ilustrar los conceptos mencionados en esta página web, no está destinada al diseño detallado. No es un producto comercial, no se garantizan los resultados. Consulte a un diseñador reputado para cualquier diseño detallado que pueda necesitar.

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Fuente
Secado por aspersión, K. Masters, Leonard Hill Books, 1972, págs. 54-64