Versatilidad del secado de materiales a granel

Jess Elliot | 30 de marzo de 2023

El secado de materiales a granel es un paso crítico en las industrias de procesos. Las aplicaciones pueden variar desde el secado de productos alimenticios hasta la preparación de ingredientes farmacéuticos activos y la producción de materias primas para baterías de litio. La necesidad de secar rápidamente los materiales en condiciones controladas, sin daños ni degradación, se ha convertido en muchos diseños de secadores de proceso a lo largo de los años. Mucho después del primer método de secado con sol y viento, los fabricantes ahora mantienen un mayor control para reducir el tiempo del proceso aprovechando varios enfoques probados.

Muchos procesos sofisticados y optimizados están disponibles. Las tecnologías actuales brindan beneficios específicos para los requisitos y la aplicación del producto, las capacidades, las condiciones, el tiempo y el espacio disponible.

¿Qué es el secado? En pocas palabras, es el proceso físico mediante el cual los líquidos volátiles o los solventes se separan o evaporan para producir un producto sólido. La humedad o el contenido de solvente de sólidos o polvos se evaporan más comúnmente mediante la aplicación de energía térmica o calor, mezcla y vacío. Las operaciones de secado a menudo siguen a la separación mecánica o eliminación de solventes o agua de productos sólidos. Sin embargo, si bien se expresa de manera simple, la práctica de eliminar la humedad de los productos presenta muchos desafíos. Se debe tener cuidado de no dañar, degradar o cambiar químicamente el producto. Por ejemplo, en la fabricación de baterías de litio, la humedad residual o el solvente pueden reducir o crear problemas en el recubrimiento de los electrodos. Las operaciones de secado se utilizan a menudo después de las operaciones de precipitación o cristalización antes de la formación de tabletas o el llenado o las operaciones de mezcla posteriores.

Los beneficios del secado a menudo incluyen costos reducidos de embalaje, almacenamiento y logística, mayor vida útil y eliminación de la contaminación bacteriana.

- Secado por aspersión: implica la alimentación presurizada de una suspensión líquida a través de una boquilla atomizadora en un gas caliente a alta velocidad que provoca una rápida evaporación de la humedad. El secado es casi instantáneo, pero a menudo requiere más pasos de secado para eliminar la humedad residual.

Configuración de secado por pulverización

- Liofilización (liofilización): consiste en congelar y secar al vacío, lo que permite que el hielo cambie de sólido a vapor sin pasar por la fase líquida. Se utiliza normalmente para materiales sensibles a la temperatura, como vacunas o enzimas, se caracteriza por la congelación de la solución del producto, seguido de secado por sublimación con agua o humedad, y finaliza con un secado secundario por calentamiento. (Novena edición de Perry)

- Horno de secado o secador de bandejas: Calentamiento del producto por convección en una cámara para volatilizar la humedad a temperatura constante permitiendo la evaporación del líquido. Los secadores de horno a menudo están equipados con un ventilador o una turbina que fomenta el proceso de secado que calienta y seca los productos. Los diseños están equipados con bandejas móviles. Los secadores de horno son muy cuidadosos en el tratamiento del producto, pero son susceptibles a largos tiempos de proceso.

Figura 3: Horno secador de bandejas

- Secado por microondas: uso de microondas que crean calor para convertir líquido en vapor para secar el producto. Aunque efectivo, algunos de los inconvenientes incluyen la degradación o los cambios en la calidad del producto debido al daño causado por las microondas.

Ilustración de secador de microondas

- Secadores cónicos (agitados): Ampliamente utilizados en las industrias de baterías, farmacéutica, alimenticia, nutracéutica y química, el material se coloca en una caldera equipada con un agitador helicoidal. A medida que el material se agita fomentando la renovación de la superficie, se aplica calor indirecto y vacío al hervidor. El calor transferido al material convierte el líquido en vapor. Se aplica vacío al hervidor para reducir la temperatura de ebullición de la humedad o el solvente, lo que facilita el secado efectivo del producto a una temperatura de ebullición reducida de la fase líquida.

Hay muchas otras configuraciones de secador, como túnel, tambor giratorio, tambor, película descendente y secadores de banda. Estos no se discuten aquí, pero también se practican ampliamente en la industria. (Novena edición de Perry)

secadores cónicos (agitados); 2 l y 100 l

De los ejemplos, los secadores cónicos (agitados) son una de las técnicas de secado más versátiles y ampliamente implementadas en la industria y se escalan de manera confiable desde equipos de sobremesa hasta equipos a escala comercial, de 2 a más de 4000 l.

La teoría detrás de los secadores cónicos es la utilización de energía térmica y vacío para reducir el punto de ebullición de la humedad o el solvente para secar los materiales. La energía térmica indirecta se suministra a través de un recipiente encamisado y una paleta agitadora. El vacío es suministrado por una bomba o sistema de vacío externo que permite calentar y secar por debajo del punto de ebullición atmosférico de la humedad o el solvente contenido en los sólidos. El agitador, típicamente una cinta o paleta helicoidal, promueve una "mezcla suave y renovación de los sólidos" en la secadora para una rotación efectiva del producto que promueve la renovación de la humedad sin afectar el producto. Materiales de alimentación típicos que incluyen tortas de sólidos húmedos, lodos o pastas y fluidos.

Secado por contacto y evaporación en un secador cónico usando calor y vacío

Ilustración de un sistema de secador cónico

Los tipos de humedad que se eliminan en los secadores cónicos incluyen:

- Líquido libre

- Fluido adhesivo sobre la superficie de las partículas sólidas

- Fluido libre dentro de los macro y micro capilares (flujo de líquido a través de los intersticios sólidos) sobre la superficie del sólido

- Fluido cristalino (humedad unida a la molécula)

Diferentes tipos de humedad removida de los sólidos

Los ejemplos de aplicación incluyen el secado de materiales API cristalinos, productos alimenticios o tortas húmedas descargadas de secadores por aspersión o equipos de filtración.

En la industria de las baterías de iones de litio, los secadores cónicos se utilizan ampliamente en la extracción, síntesis y preparación de materias primas. Varios compuestos de litio como cloruro de litio, carbonato de litio, monohidrato de hidróxido de litio e hidróxido de litio son materiales importantes. Un ejemplo de ello es el secado del monohidrato de hidróxido de litio para separar el agua del hidróxido de litio. Otros ejemplos incluyen el secado de precursores y materiales activos después de los pasos de síntesis, filtración y lavado en la preparación de materiales de NiCoMn.

Un paso importante en la implementación o comercialización de un secador cónico es la viabilidad técnica y la prueba de concepto. Criterios como la condición inicial del producto, incluida la densidad de la torta, la viscosidad o la fluidez del producto de alimentación, el tipo de humedad y el contenido, la curva de presión de vapor de la humedad, las características de la torta o los sólidos (porosidad, homogeneidad, propiedades higroscópicas) y el objetivo final la calidad y las características del producto son muy importantes.

Secador y agitador a escala de laboratorio

Es importante señalar que los fabricantes de secadores suelen tener instalaciones de prueba o instrumentos de prueba donde se pueden evaluar las aplicaciones antes de la comercialización o el escalado. A menudo, el desarrollo en un secador de escala piloto o de banco es extremadamente útil. Se puede preparar una curva de secado para el producto evaluando el % de humedad (inicial y final) en función del tiempo con respecto a varias temperaturas y condiciones de vacío

Para todos y cada uno de los productos, existe una curva de "secado" representativa que describe las características de secado de un producto a una temperatura específica, velocidad del gas de secado y condiciones de presión. Esta curva se conoce como la curva de secado para un producto específico. Las variaciones en la curva ocurrirán principalmente en relación con la temperatura, la presión y el diseño del secador.

Ilustración de la curva de secado

La curva es extremadamente valiosa para comprender la termodinámica asociada con el secado de cada producto único durante las tres fases del secado:

1) Período inicial en el que se transfiere calor sensible o vacío al producto y humedad contenida

2) Período de tasa constante donde la humedad libre persiste en las superficies de los sólidos y la evaporación es relativamente constante a medida que se reduce el contenido de humedad.

3) Período de velocidad decreciente en el que la migración de humedad desde los intersticios internos de cada partícula hacia la superficie exterior se convierte en el factor limitante de la velocidad de secado.

Además de los aspectos anteriores, el usuario también debe considerar el equipo periférico o de apoyo para la instalación del secador, como fuente de calor y fuente de vacío, recuperación de solventes, manejo o filtración y manejo de sólidos y, por supuesto, la seguridad relacionada con los operadores y el sitio.

En conclusión, los secadores, especialmente los secadores agitados cónicos, se utilizan ampliamente en las industrias química, energética, farmacéutica y de procesamiento de alimentos en muchos mercados. La consideración cuidadosa y la atención a los detalles en asociación con el proveedor generalmente conducirán a una implementación exitosa.

Lee Holliday es director de ventas de procesos, Joseph Porcelli es gerente de ventas regional y Daniel Nenno es ingeniero de ventas de sistemas en IKA Works Inc. Para obtener más información, llame al 910-452-7059 o visite www.ikaprocess.com/en.

1. Manual de ingeniería química de Perry, novena edición2. IKA Works Inc., Staufen, Alemania3. Processheating.com

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