Dimensionamiento y simulación de un secador por aspersión de nivel piloto

Abstract

El secado por aspersión tiene gran importancia en la industria farmacéutica, biotecnológica y de alimentos, puesto que puede ser aplicado a materiales termolábiles, además permite obtener productos con características específicas de humedad, densidad, tamaño, entre otras.

Aún no se han comprendido completamente los fenómenos involucrados en el proceso de secado, ni se ha establecido una secuencia de cálculo definitiva para el dimensionamiento de los equipos de dicha operación ni para la predicción de las características del producto.

En el presente trabajo se propone una secuencia de cálculo que enlaza el dimensionamiento de la cámara de secado y la simulación del proceso como fenómeno físico (cambios de tamaño de la gota, temperatura, trayectoria, humedad, etc.); con dicha secuencia se desarrolló un programa en Matlab que permite obtener gráficos de la evolución del secado.

Para ello se retoma el trabajo realizado por Shabde y Hoo (2006), y se incorporan aspectos como el sobrecalentamiento de la gota, la importancia de la velocidad relativa de la gota con respecto al aire, la cual es diferente de cero, en la transferencia de masa y calor, y otras modificaciones que incrementan la precisión en las estimaciones obtenidas de la simulación del secado. Además, se enlaza la secuencia de cálculo reportada por Patiño (1995), Grajales (1996) y Mendoza et al. (2003), que permite el dimensionamiento de la cámara de secado, con la simulación, de tal forma que es posible determinar que tanto se alejan los resultados obtenidos de las dimensiones óptimas.

Las dimensiones obtenidas de la cámara de secado, para un fluido hipotético (de propiedades similares a una solución de maltodrextrina al 40% w/v) asperjado con un atomizador rotatorio, fueron 55 cm de diámetro y 82 cm de altura total, resultados obtenidos de la simulación y que permiten el secado del 95% de la nube asperjada.

Por otra parte, debe mencionarse que con la simulación del proceso de secado no se alcanzó la coincidencia total entre los valores propuestos para iniciar el cálculo y los valores finales de las características del producto, esto fue debido a la naturaleza empírica de las ecuaciones de velocidad el aire usadas en el presente trabajo, pero ya que las dimensiones obtenidas están a menos del 10% de las óptimas fue innecesario el redimensionamiento de la cámara.

ABSTRACT

The spray drying is a paramount process in the pharmaceutical, biotechnology and food industries, because it can be used for the drying of thermolabile materials, allowing the production of dried solids with specified characteristics such as moisture, density and particle size, among others.

Today, the implicated phenomena in the drying process have not been completely understood, and a definitive numerical algorithm has not yet been established, neither to determine the spray dryer dimensions nor for the prediction of the properties in the final product.

In this work, an algorithm to calculate the chamber dimensions of the dryer is presented. Besides, a simulation of a particle drying process as a physical phenomenon (droplet size changes, droplet path in the chamber, temperature and water content in the drying air and in the particle, etc.) is also accomplished. The simulation was performed in Matlab R12 to obtain the drying evolution graphs.

This work considers the contributions by Shabde and Hoo (2006) to the simulation of drying processes, and incorporates aspects such as droplet overheating, relative velocity between droplet and air in the mass and heat transfer, and other modifications to the drying process equations that increase the precision of the estimates obtained in the drying simulation. Furthermore, linking the sequence of calculations reported by Patiño (1995), Grajales (1996) and Mendoza et al. (2003), which allows the calculation of the drying chamber dimensions, with the droplet drying simulation, it was possible to establish a chamber size near to the optimum dimensions.

The chamber dimensions of a wheel atomizer spray dryer for a hypothetical fluid (with similar properties to a maltodextrin solution 40% w/v), were 55 cm of diameter and 82 cm of height, as calculated by the algorithm proposed here. As our results show, these dimensions allow the drying of 95% of the sprayed material in the chamber.

On the other hand, it should be mentioned that the drying process simulation did not reach total coincidence of initial and final values in the product properties, due to the empirical nature of the air velocity equations used in the calculation of the droplet path, but still the estimated chamber dimensions seem to produce accurate enough drying results.