Procesamiento de sólidos por temperatura

Peter Koenig, director de producto, Bepex | 15 de septiembre de 2021

Tanto las tecnologías de secado directo como las de secado indirecto ofrecen las ventajas de tiempos de residencia bajos. Dos tipos de secadores, secadores flash mecánicos (secado directo) y secadores de paletas de película delgada (secado indirecto), ofrecen soluciones óptimas para materiales sensibles al calor. Los requisitos de cada aplicación determinarán la elección del secador.

Los fabricantes de las industrias química, alimenticia, mineral y de otro tipo evalúan continuamente sus procesos industriales para garantizar que los materiales se produzcan con un desperdicio mínimo, una eficiencia óptima y la más alta calidad. El procesamiento térmico es parte integral de la fase de procesamiento y requiere un análisis exhaustivo del contenido de humedad del material y otras características. Cada proceso industrial es único; los fabricantes tienen la garantía del máximo rendimiento solo después de un cuidadoso proceso de desarrollo que incluye evaluación de materiales, pruebas por lotes, pruebas a escala piloto y evaluación comercial. Dos enfoques para el secado de material sensible a la temperatura optimizan el proceso y la calidad del producto para una variedad de materiales, incluidos polímeros, fertilizantes, almidones, harinas y levaduras (también para suplementos para animales).

El secado es una operación unitaria en la que un líquido se separa de un sólido por medios distintos a los mecánicos. Esto generalmente requiere el suministro de calor, lo que resulta en la evaporación del líquido. Se pueden aplicar dos tipos de tecnologías de secado, secado directo y secado indirecto, para el procesamiento sensible a la temperatura (consulte la Figura 1).

Figura 1: Secado directo e indirecto para procesamiento sensible a la temperatura

Los procesos térmicos directos o convectivos (Figura 2) normalmente mezclan gas calentado o ambiental (por ejemplo, aire o nitrógeno) directamente con el material a tratar. Algunas tecnologías térmicas directas emplean un agitador mecánico para aumentar la mezcla del material con el gas, y casi todas las tecnologías directas utilizan transporte neumático para mover el material a través del proceso.

Debido a que este proceso se basa en el gas como medio de transferencia de calor, el tratamiento de escape y las consideraciones ambientales pueden hacer que este proceso sea menos deseable que el procesamiento indirecto para una aplicación determinada.

Sin embargo, dada la presencia de un alto volumen de aire/gas, las operaciones de secado directo se benefician del enfriamiento por evaporación, cuando el agua evaporada enfría la corriente de aire, enfriando posteriormente el material seco. Esto, a su vez, ayuda a mantener una temperatura de trabajo baja, evitando la degradación en materiales sensibles a la temperatura.

Los procesos de secado indirectos o conductivos transfieren calor al material indirectamente a través del contacto con una superficie calentada. El material está separado del medio de transferencia de calor por una pared metálica y el calor se conduce a través del material o medio de transferencia de calor, generalmente vapor o aceite caliente (también agua, solución de glicol, resistencia eléctrica o sales fundidas). El material en sí nunca entra en contacto directo con el medio de transferencia de calor. Para mejorar el calentamiento uniforme y proporcionar transporte, los sistemas indirectos usan agitación mecánica para mover el material tratado a través de la superficie metálica y hacia el siguiente paso del proceso.

El procesamiento térmico indirecto es especialmente beneficioso cuando el espacio es limitado, para el transporte a corta distancia o para reducir el equipo de transporte en un proceso. El procesamiento térmico indirecto a menudo elimina los problemas de manejo de materiales y aumenta el valor del producto final.

Figura 2: Conceptos térmicos directos e indirectos

Si bien varios tipos de secadores pueden realizar la tarea, dos en particular son ideales para secar materiales sensibles al calor: secadores instantáneos mecánicos y secadores de paletas de película delgada. Los requisitos para cada aplicación individual, así como las formas de la materia prima, determinarán la elección del secador. Cada aplicación requiere un proceso de desarrollo exhaustivo para probar, diseñar y especificar una coincidencia precisa para la aplicación (consulte la barra lateral: Evaluar, probar y muestrear material para obtener los mejores resultados).

Los secadores instantáneos se basan en tecnología térmica directa y están diseñados para secar materiales sensibles a la temperatura con un alto contenido de humedad en formas difíciles de manejar, como tortas de filtración/húmedas, pastas y lodos (consulte la Figura 3). Los secadores instantáneos tradicionales son secadores por aspersión no mecánicos o secadores de anillo. Un tipo alternativo de secador flash es mecánico y ofrece una mayor flexibilidad de partículas en comparación con los secadores por aspersión o los secadores de anillo. Los secadores por aspersión generalmente producen solo polvos finos, mientras que los secadores de anillo generalmente producen gránulos más grandes y necesitan pasos de molienda adicionales para producir un polvo. Un secador flasher mecánico puede producir un polvo molido fino (~5 µm) o gránulos más grandes (generalmente hasta 1-2 mm).

Figura 3: Un secador instantáneo mecánico proporciona una alta eficiencia de secado.

La mezcla intensa de la secadora aumenta el área de superficie del producto para garantizar una evaporación rápida y una alta eficiencia de secado. El secador instantáneo mecánico utiliza corrientes de aire caliente y placas de dispersión giratorias para generar una capa delgada de material. Esta fina capa proporciona un contacto íntimo entre las partículas que se van a secar y la corriente de gas caliente. Dada su dispersión como una capa delgada, el secador instantáneo mecánico generalmente requiere una huella más pequeña en comparación con los secadores de anillo y atomización.

El tiempo de residencia del material dentro del secador mismo es corto, con un promedio de dos a tres segundos. Una vez descargado del secador, el material se transporta neumáticamente a los componentes de separación, generalmente un ciclón seguido de una cámara de bolsas. Durante el período de transporte, el aire cargado de humedad proporciona enfriamiento por evaporación del producto seco, lo que reduce rápidamente la temperatura del material para evitar la degradación o el cambio de color que ocurre con la exposición prolongada a la temperatura y el tiempo. Los secadores instantáneos mecánicos generalmente no requieren ningún proceso térmico aguas arriba o aguas abajo, como lechos fluidos o pasos de retención comunes en algunas operaciones de secado instantáneo.

Los secadores instantáneos mecánicos también pueden moler y secar simultáneamente tortas de filtración, lodos o soluciones, lo que genera un material en polvo utilizable directamente desde el secador y reduce el consumo de energía aguas abajo si se necesita una molienda posterior. Los secadores instantáneos mecánicos son una alternativa eficiente y compacta a los secadores por aspersión no mecánicos y los secadores de anillo, y reducen tanto el costo total de propiedad como los costos de instalación sin sacrificar la calidad del producto.

Los secadores de paletas de película delgada (consulte la Figura 4) se basan en tecnología térmica indirecta, que depende de que la energía térmica llegue al producto a través de superficies calentadas. Los secadores de película delgada tienen la mayor eficiencia térmica del procesamiento térmico indirecto porque la alta velocidad de la punta mantiene el material en contacto constante con la superficie de calentamiento/enfriamiento. La agitación continua de un secador de película delgada también proporciona un excelente mecanismo de mezcla para incorporar múltiples corrientes de alimentación y/o ingredientes secundarios. Los secadores de película delgada producen tamaños de partículas en el rango de 1 a 3400 micrones y están diseñados para operar en soluciones, lodos, pastas, tortas de centrifugado, tortas de filtración y sólidos de flujo libre.

Figura 4: Un secador de paletas de película delgada produce excelentes coeficientes de transferencia de calor.

Los secadores de película delgada se basan en un agitador mecánico que gira en una carcasa cilíndrica. La carcasa cilíndrica tiene una camisa de transferencia de calor que se puede construir para medios de transferencia de calor líquidos o de vapor. Un rotor dentro del recipiente cilíndrico calentado opera a altas velocidades de punta (5-25 m/segundo), lo que obliga al material a formar una capa delgada a lo largo de la pared del recipiente cilíndrico calentado. Esto proporciona el calentamiento conductivo para llevar a cabo la evaporación. La camisa hueca de la pared constituye toda la superficie de transferencia de calor. Una corriente de gas calentado (a menudo inerte) generalmente corre a contracorriente del flujo de material, recogiendo la humedad evaporada y llevándola a un condensador para su recolección. Dado que el gas de purga no se usa como fuente de calor principal, la cantidad de gas requerida se minimiza, lo que proporciona una operación más eficiente y menores requisitos de servicios públicos operativos.

El rotor consta de paletas instaladas a lo largo de un eje giratorio. El ángulo de cada paleta se puede ajustar para controlar la velocidad de transporte y el tiempo de residencia del material. No debe confundirse con un secador de paletas de cama, las paletas en un secador de paletas de película delgada no proporcionan ninguna transferencia de calor. Estos secadores se pueden alimentar a la fuerza a través de un puerto en el costado del recipiente o se pueden alimentar por gravedad a través de la parte superior. El producto generalmente se descarga desde un puerto en el extremo opuesto y solo es adecuado para procesos continuos.

Los secadores de película delgada son ideales para enfriar, pasteurizar y secar torta húmeda y son más eficientes en comparación con los secadores instantáneos. Sus paletas de alta velocidad rompen grumos y aglomerados sueltos para un tratamiento térmico uniforme.

Las múltiples opciones de alimentación, incluida la alimentación por tornillo, el bombeo y el rociado en el recipiente, hacen que esta opción sea adecuada para materiales de casi cualquier consistencia. El corto tiempo de residencia del secador, la cantidad de tiempo que el material tratado pasa en la máquina, permite un control estricto de la temperatura del material.

Los secadores instantáneos mecánicos y los secadores de contacto de película delgada son óptimos para el procesamiento térmico de materiales sensibles al calor debido a sus cortos tiempos de residencia o control estricto sobre el tiempo y la temperatura de exposición. Dependiendo de la naturaleza del material del producto a procesar, también hay disponibles otros tipos de secadores. Los secadores clasificados como de dispersión diluida o de película delgada incluyen el secador de contacto de película delgada, el secador por aspersión, el secador de tambor, el secador instantáneo y el secador rotatorio con camisa de vapor.

El diseño óptimo de la secadora debe proporcionar las siguientes características:

1. Exposición tiempo-temperatura

La pérdida de calidad del producto generalmente resulta de los efectos combinados del tiempo de exposición y la temperatura de secado. Si el diseño de la secadora emplea un tiempo de exposición prolongado, la temperatura de la fuente de calor debe mantenerse baja. Por otro lado, los secadores que funcionan con tiempos de residencia cortos pueden usar fuentes de calor con temperaturas más altas, sin correr el riesgo de que se degrade la calidad del producto.

Los diseños de secadores tienen tiempos de exposición variables (consulte la Tabla 1). El secador instantáneo mecánico funciona con tiempos de residencia extremadamente cortos de menos de tres segundos. El secador de paletas de película delgada es capaz de operar con una amplia gama de tiempos de residencia, hasta 30 minutos.

Tabla 1: Exposición de sólidos a condiciones de calor

2. Exposición al aire

Para compensar la exposición reducida de tiempo y temperatura, el diseño del secador debe maximizar las eficiencias de transferencia de masa por evaporación. Un método para lograr este efecto es proporcionar un contacto íntimo entre las partículas discretas que se secan con la corriente de aire (o gas inerte). El contacto de las partículas individuales con la corriente de aire permite una buena capacidad de eliminación de la humedad, al aumentar la fuerza impulsora de la presión parcial diferencial para la evaporación.

El grado de exposición al aire varía según la secadora. El secador instantáneo, el secador de lecho fluido, el secador por aspersión y el secador de paletas de película delgada funcionan con altos grados de contacto discreto entre partículas y aire.

3. Gradientes de temperatura y distribución del tiempo de residencia

Es importante minimizar los gradientes de temperatura dentro del material del producto que se calienta durante la operación de secado. La estrecha distribución del tiempo de residencia del material del producto dentro del secador garantizará una calidad uniforme del producto.

Los diseños de secadores en los que el material del producto se calienta como una dispersión diluida o como una película delgada en condiciones de flujo pistón satisfarán estos criterios. Los secadores en los que el material del producto está en forma de masa a granel pueden ser más propensos a los gradientes de temperatura y/o a los efectos de distribución del tiempo de residencia.

La eficiencia térmica de un secador instantáneo es una función de la temperatura del gas de salida y de su temperatura delta (diferencia de temperatura del gas de entrada/salida), que establece el requisito de flujo de gas para el balance de calor. Cuanto menor sea la temperatura de salida del gas, mayor será la eficiencia térmica. Cuanto mayor sea el diferencial de temperatura del gas, menor será la tasa de flujo de gas y mayor será la eficiencia térmica.

El contenido de humedad máximo permitido en el producto descargado normalmente colocará un límite más bajo en la temperatura del gas de salida del secador flash. La sensibilidad a la temperatura del material del producto normalmente definirá el límite superior para la temperatura del gas de entrada del secador instantáneo mecánico, estableciendo la condición de temperatura delta máxima permitida. El resultado neto es que, para la mayoría de las aplicaciones de secado, la carga térmica del secador instantáneo mecánico suele ser de 1500 a 2000 BTU por libra de agua evaporada.

La eficiencia térmica del secador de película delgada es una función de la temperatura del gas de salida y las pérdidas del sistema son similares a las del secador instantáneo. Sin embargo, el secador de película delgada no depende de la cantidad de flujo de gas para los requisitos de balance de calor. El índice de flujo de gas reducido da como resultado que la carga térmica de la secadora caiga en el rango de 1000 a 1400 BTU por libra de agua evaporada.

El procesamiento de productos sensibles a la temperatura para las industrias química, alimenticia y mineral requiere un análisis cuidadoso del proceso de secado para garantizar la calidad del producto, la eficiencia óptima y el desperdicio mínimo. El secado directo y el secado indirecto son dos tipos de tecnologías de secado ideales para el procesamiento sensible a la temperatura. Los secadores instantáneos mecánicos y los secadores de paletas de película delgada ofrecen soluciones óptimas, aunque los requisitos de la aplicación determinarán la elección del secador.

Un análisis exhaustivo del proceso, la planta y los requisitos de capital identificará la tecnología que mejor se ajuste a las especificaciones.

Ya sea que comience desde cero, busque incorporar un nuevo paso de proceso en un sistema existente u optimice su operación actual, los fabricantes pueden trabajar en uno o todos los siguientes pasos con su socio de procesamiento de sólidos para cumplir con sus requisitos de materiales:

* Pruebas de banco: revise una pequeña muestra de material para determinar la viabilidad inicial* Pruebas a escala piloto: realice pruebas representativas en sistemas personalizables* Ampliación: a partir de los resultados de las pruebas a escala piloto, dimensione un sistema de proceso industrial que cumpla con los requisitos operativos* Evaluación comercial: Después de la ampliación, proporcione una oferta completa para la evaluación de CAPEX y OPEX* Definición de proceso personalizado: produzca muestras de productos en un proceso continuo para la evaluación del mercado

La evaluación cuidadosa que utiliza tecnologías probadas en la industria ayuda a los fabricantes a desarrollar el material adecuado para su aplicación y acelera el tiempo de comercialización.

Peter Koenig es director de producto de Bepex. Para obtener más información, llame al 612-331-4370 o visite www.bepex.com.

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