Teoría de secado de materiales y ejemplos

1. Secado y deshumidificación
Velocidad de Secado
Dra. Jazmin Gabriela Reyes Ocampo

2. SECADO
Es el paso en la recuperación de ciertos productos farmacéuticos y
biotecnológicos
• Consiste en la reducción del contenido de solvente (generalmente agua) del
producto
Evaporación (secado convencional) o sublimación (liofilización).
• Propósito
Estabilizar el producto
Preservar su actividad
Reducir su volumen
Recuperar el solvente.
• Selección del método de secado, a tomar en cuenta la temperatura que
puede soportar el material de interés sin perder actividad.
• El análisis se basa fundamentalmente en los sistemas aire-agua.

3. Fundamentos
El análisis de la operación de secado requiere conocer :
: 1 Las relaciones de equilibrio que limitan la operación, lo cual implica conocer: la
distribución de agua entre dos fases: La sólida del material a secar y la gaseosa del aire
seco.
2 Los métodos disponibles para realizar la operación
3 La velocidad de secado que determina el tiempo para llevar a cabo la operación y que depende
de la velocidad de transferencia de calor y de la velocidad de evaporación.
4 Los efectos colaterales del secado requieren un estudio de la velocidad de desactivación del material de
interés por efectos térmicos.

4. Equilibrio y propiedades térmicas
Si un sólido húmedo se expone a una corriente de aire…
¿Cómo es la presión de un aire seco?
Si Pvapor sólido > Pvapor
aire
El sólido pierde
humedad
Si Pvapor sólido < Pvapor
aire
El sólido gana
humedad
Si Pvapor sólido = Pvapor aire
SISTEMA EN EQUILIBRIO

6. Tipos de agua contenida en un sólido, en la mayoría de los materiales
Agua
AGUA LIBRE: Ejerce una presión de vapor igual a la del
agua pura. Este tipo de agua se localiza en los espacios
entre las células de los materiales o en los capilares de
precipitados porosos
AGUA LIGADA: Ejerce una presión de vapor menor a
la del agua pura. Este comportamiento lo presenta el
agua cuando está contenida en el interior de las
células

7. Métodos de Secado
• El método de secado depende del tipo de producto, sus propiedades
físicas, su tolerancia a la temperatura y los requerimientos de proceso en
cuanto a la forma de operación ya sea intermitente o continua.
• Método adiabático: Este método consiste en adicionar aire caliente, (no
intercambia calor con su entorno)
• Ej.; Secadores por aspersión y los secadores de tipo instantáneo.
• Para secar: Polvos, Proteínas y enzimas
https://www.gea.com/de/products/conventional-spray-
dryer.jsp

8. DISEÑO DE SECADORES
• El diseño de un secador
requiere de la determinación
de valores experimentales.
100 g
• Las condiciones de secado
deben ser constantes e
iguales a las que se utilizaran
a gran escala.

9. Secador por aspersión VS FLASH
• Flash consiste en la eliminación rápida de la humedad
de los sólidos pulverizados o micronizados,
principalmente agua superficial.
• Corto tiempo de retención permite un control máximo
del secado
• Altas temperaturas de entrada, permite el secado de
productos combustibles al no llegar el producto a tener
alta temperatura.

10. Método no adiabático
• En este método se proporciona calor en forma indirecta por
conducción a través de una pared metálica.
• Operan a presión reducida
• El secado por congelamiento, se efectúa por sublimación de agua
congelada empleando bajas presiones y temperaturas (debajo de las
ambientales).

11. Velocidad de secado
• Cuando se seca un sólido ocurren dos procesos fundamentales y en forma
simultánea:
Se transfiere calor para evaporar un líquido: Dependerá del método de
secado (adiabático o no adiabático).
Se transfiere masa: como líquido o vapor al interior del sólido, y como vapor
del sólido al aire. El tipo de sólido a secar (homogéneo, granular, etc.).

12. Efectos colaterales del secado
• Cuando el secado de un material no se realiza apropiadamente, se presentan daños que afectan la calidad del
producto, tales como:
• • Endurecimiento. Se presenta cuando la velocidad de secado es muy alta y el solido forma una capa interior
húmeda y una capa exterior seca e impermeable, que impide la evaporación y el secado.
• •Deshidratación química. Consiste en la eliminación de agua de la estructura molecular del producto y también se
origina por una velocidad de secado alta.
• • Desnaturalización. Es el daño que sufren las proteínas en el secado. Este proceso generalmente sigue una cinética
de primer orden.

14. CANTIDAD DE AGUA
• El balance de agua en el sistema puede expresarse como:
𝑚
ⅆ𝑤
ⅆ𝑡
= −𝐽𝐴 (B)
• m = masa de sólido seco
• W = Humedad del sólido

15. Combinando las ultimas dos ecuaciones
tenemos:
ⅆ𝑤
ⅆ𝑡
= −
𝑘𝜌´𝐴
𝑚
[𝐻𝑖 − 𝐻]
dW/dt = diferencial de Humedad del sólido con respecto al tiempo
k = Coeficiente de transferencia de masa en la película estancada de aire sobre
el sólido [L/t]
ρ´= Densidad del aire seco[M aire seco / L3 de mezcla]
k = Coeficiente de transferencia de masa en la película estancada de aire
sobre el sólido [L/t]
m = masa de sólido seco
A = Área expuesta al secado [L2]
Hi = Humedad en el seno del aire
H= Humedad en la superficie del sólido

16. Procesos adiabáticos
La transferencia de calor del aire al sólido es igual al total del calor latente de
evaporación de tal manera que:
Calor transferido= (Calor latente de evaporación)(masa evaporada)
Q= λ JA (C)
Combinando las ecuaciones A,B,C.
λ =Calor latente de vaporización.
ⅆ𝜔
ⅆ𝑡
= −
ℎ𝐴
𝑚𝜆
𝑇 − 𝑇𝑖
• T, temperatura de bulbo seco del aire
• Ti, temperatura de saturación adiabática o temperatura de bulbo húmedo.

17. Integrando entre límites se puede calcular el
tiempo de secado en el periodo constante:
𝑡𝑐 =
𝑚𝜆
ℎ𝐴 𝑇 − 𝑇𝑖
𝑊0 − 𝑊
𝑐
Tiempo de secado= tc
W0= Humedad del sólido húmedo
WC= Humedad del sólido seco
m = masa de sólido seco g
𝝀= Calor latente de vaporización Cal/g
h= Coeficiente de transferencia de calor en la superficie del sólido y la película estancada de
aire sobre ésta [cal/L2 º t]
A = Área expuesta al secado [L2]

18. Condiciones
• tc es el tiempo para alcanzar la humedad crítica del sólido, que
es la humedad a la cual termina el periodo de velocidad de
secado constante.
• h. Este coeficiente depende de la geometría del secador. En el
caso de secado con flujo de aire paralelo a la superficie de un
sólido y una temperatura entre 45 − 150 C, el coeficiente de
transferencia de calor puede ser evaluado con la ecuación,
• h= 0.0204 G 0.8
• G: Flux másico de aire. [kg/m2 h].
• h: Coeficiente de transferencia calor. [W/m2 K].

19. Ejemplo. Secado en la región de velocidad
constante.
Un material granular insoluble se va a secar en una charola de 45.7×45.7× 2.54 cm. El material ocupa
completamente la charola y se puede considerar que los lados y el fondo de la bandeja están aislados, de tal
manera que el calor sólo se transmite por convección desde una corriente de aire que fluye paralela a la superficie
a una velocidad = 6.1 m/s. El aire está a una temperatura de 65.6°C y tiene una humedad de 0.01 kg de agua/kg
de aire seco.
Estimar la velocidad de secado del sólido en kg agua/h.

26. Interpretación de curvas de secado
Región de velocidad de secado
constante (A-B), debido a la
evaporación de agua libre.
Región de velocidad de secado
decreciente (B-C), debido a la
evaporación de agua ligada.
El tiempo de secado deberá
calcularse sumando los tiempos
de secado constante y de secado
decreciente