Secado de Materiales

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Operaciones Industriales
Solá; Villanueva; Pistñán; Arjona 1
Tema 8: Secado de 
Materiales
Aspectos fundamentales
Diagramas de equilibrio
Curvas de velocidad de secado
Equipos
Balances de materia y energía
Ecuaciones de diseño
1
Bibliografía
• Keey, R. B.; “ Introduction to Industrial 
Drying Operations”; The Pergamon
Press, 1978
• Geankoplis, C. J.; “Procesos de 
Transporte y Operaciones Unitarias”; 
CECSA, 3ª Edición; (1998);
• Mc Cabe Smithy Harriot “Operaciones 
Básicas de Ingeniería Química”; Mc 
Graw Hill, (1991) 4ª Edición
• Introducción a la Ingeniería de los 
alimentos, Paul Singh, Dennis Helman, 
Academic Press, ACRIBIA, 2001 
2
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Aspectos Fundamentales
• El secado se realiza para eliminar un líquido (generalmente agua) desde un 
sólido, por procedimientos térmicos. 
• Existen otros procesos mecánicos (filtración, centrifugación, etc.) para 
remover el líquido de los materiales en proceso que eliminan cantidades 
mayores del líquido, pero utilizan otros fenómenos de transporte.
• Las razones para secar un material pueden ser algunas de las siguientes: 
• facilitar la manipulación en algún tratamiento posterior, 
• permitir la utilización satisfactoria del producto final, 
• reducir los costos del transporte, 
• conservar un producto durante su almacenamiento y su transporte, 
• aumentar el valor y la utilización de subproductos 
• aumentar la capacidad de otros aparatos o procesos
• Cuando se seca un sólido por procesos térmicos, se producen dos fenómenos 
fundamentales y simultáneos:
1) Transmisión del calor para evaporar el líquido
2) Transferencia de materia en dos etapas, circulación interna del líquido por la 
estructura del sólido, y la evaporación hacia la fase gaseosa 
3
Mecanismo interno de circulación del líquido 
• Difusión en sólidos homogéneos continuos
• Circulación capilar en sólidos granulares y porosos
• Circulación producida por los gradientes de 
concentración y de presión
• Circulación causada por la gravedad 
• Circulación originada por una sucesión de 
vaporizaciones y condensaciones 
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TIPOS DE SECADEROS
SEGÚN MODO DE OPERACIÓN:
• DISCONTINUOS: mas económicos de construir y 
operar; recomendables si la cantidad a secar es menor 
a 5000 kg/día.
• CONTINUOS: menos voluminosos, más económicos en 
combustible, ofrecen un producto mas uniforme, 
permiten manejar volúmenes de sólido mayores 
(>5000kg/día)
5
6
Secadero
Discontinuo
Radiación
Infrarrojo
Conducción
Vacío
Bandejas
Batea
Tanque 
agitado
Doble cono
Rotativo
Atmosférico
Bandejas
Batea 
Tanque 
agitado
Doble cono
Rotativo
Convección
Bandejas
Lecho 
fluidizado
Continuo
Radiación
Infrarrojo
Conducción
Vacío
Cintas
Tambor
Atmosférico
Rotativo
Tambor
Batea
«Enlatado»
Convección
Rotativo
Cintas
Túnel de 
bandejas
Lecho 
fluidizado
Neumático
Spray
Bandejas 
rotativas
Con 
transportador
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Lecho fluidizado continuo ciclo CERRADO 
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Otras formas de secado
• Secado por congelación (liofilización: 
congelado y vacío: sublimación de la 
humedad)
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Aplicaciones del proceso:
Productos farmacéuticos y veterinarios
Productos alimenticios: café, carnes, frutas, verduras y hortalizas, huevos, hongos, jalea real. 
Comidas elaboradas: para montañismo, trekking, carnes cocidas, sopas, pastas, pescados y mariscos. 
Conservación de: material arqueológico y marino, taxidermia, flores, recuperación de libros.
Otras formas de secado
Secadores Flash: (sólidos húmedos 
pulverizados en gas caliente, muy pocos 
segundos)
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 Productos que procesa
 Acetato de celulosa, ácidos orgánicos cristalizados, 
Acido tartárico, Afrecho de trigo, Alimentos 
balanceados, Almidón de papa maíz y mandioca, 
Antraquinona, Arcillas, Arena, Bentonita, Carnarina, 
Caseina, Chips de madera, Colorantes, Estearatos, 
Fertilizantes, Heces de Malta, Gluten Feed, Gluten 
Meal, Orujo y escobajos de uva, Oxido de hierro, 
Pigmentos, Polipropileno, Policloruro de vinilo (PVC), 
Sémolas, Subproductos de soja, Tabaco, Tartrato de 
Calcio, Talco, Turbas, Vinazas alcohólicas.
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Condiciones para el Equilibrio Aire – Sólido 
húmedo 
La humedad contenida en un sólido húmedo o en una solución ejerce una 
presión de vapor dependiente de la naturaleza de la humedad, de la 
naturaleza del sólido y de la temperatura. Si el sólido húmedo se expone a 
una corriente de gas con una presión parcial del vapor p, el sólido perderá 
humedad por evaporación, o la ganará a expensas del gas hasta que la 
presión de vapor de la humedad del sólido iguale a la presión parcial de dicha 
corriente gaseosa. El sólido y el gas se encuentran, entonces en equilibrio, y 
la humedad del sólido se denomina humedad de equilibrio
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https://www.oicomp.cl/detalle/instrumentacion/actividad-de-agua/199/equipo-portatil-para-
medir-actividad-de-agua-hygropalm-hp23-aw-a
Humedad de equilibrio. Se representa por X* y corresponde a la humedad contenida en una sustancia en 
equilibrio con un aire con una determinada presión de vapor.
Humedad libre: es la humedad que contiene un sólido en exceso sobre la de equilibrio, se representa por X 
= XT-X*. Sólo la humedad libre puede ser evaporada, y lógicamente depende de la concentración del gas (a 
través de la humedad de equilibrio).
Humedad ligada: corresponde a la humedad contenida en un sólido, que ejerce una presión de vapor 
menor que la correspondiente al líquido puro a la misma temperatura. Corresponde al valor de equilibrio 
cuando la humedad del gas es del 100%
Humedad no ligada: representa la humedad contenida en un sólido que ejerce una presión de vapor igual 
a la del agua pura a la misma temperatura.
Humedad libre - Agua ligada y no ligada
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x
x*
Humedad 
no ligada
Humedad 
ligada
Humedad 
de 
equilibrio
Humedad 
libre
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Métodos para determinar la humedad de sólidos
Los métodos directos se basan en eliminar el agua que contiene el sólido y 
determinar la cantidad por pesada o por medios químicos. Por ejemplo el 
secado en estufa de vacío hasta pesada constante, se utiliza sobre todo 
para materiales que pueden deteriorarse a elevadas temperaturas.
También se utiliza el secado en estufa a presión atmosférica, que suelen 
utilizar aire forzado y donde el tiempo de secado está estandarizado
Los métodos indirectos se basan en la medida de alguna propiedad
del material que resulte afectada por el contenido de humedad. Precisan 
de calibrado, debiéndose utilizar un método directo como referencia. Se 
pueden utilizar medidas de resistencia eléctrica o medidas de la capacidad 
de un condensador que utiliza como medio dieléctrico el material cuya 
humedad se desea determinar, siempre que su constante dieléctrica 
resulte afectada por la humedad.
21
La exposición del sólido a un aire con unas determinadas condiciones constantes de 
humedad, temperatura y velocidad se conoce como secado en condiciones 
constantes. A partir de este tipo de experimentos se pueden representar gráficas de 
secado
Curvas de Secado – Comportamiento del sódido
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CURVAS DE VELOCIDAD DE SECADO
Para determinar experimentalmente la velocidad de secado, se coloca la muestra en una 
bandeja, la cual se suspende de una balanza para registrar su peso a distintos intervalos de 
tiempo, adaptada a un gabinete o un conducto por el cual circula el aire de secado.La 
velocidad, la humedad y la temperatura del aire deben ser constantes y mantenerse a lo largo 
de toda la experiencia.
Por otro lado, las condiciones y tamaño de muestra deben ser lo mas parecido posible a los 
que se utilizarán en el proceso industrial. 
Los datos que se registran son el peso del sólido húmedo a distintos intervalos de tiempo. El 
contenido de humedad total del sólido se calcula como: 
Xt = (Peso sólido húmedo – Peso de sólido seco)/Peso de sólido seco
[=] (kg agua/kg s.s.)
Después se determina el contenido de equilibrio X* (kg agua en equilibrio con el gas/kg s.s.).
Humedad libre: X = Xt – X*
Velocidad de secado: 
R = -LS/A(dX/dt); (kg agua/h m2); 
LS (kg de sol. seco usado); 
A(m2, área sup. exp.)
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CURVAS DE VELOCIDAD DE SECADO
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Etapa A-B: Es una etapa de calentamiento (A) o
enfriamiento (A’) inicial del sólido.
Etapa B-C: Período de velocidad de secado constante. Se
evapora humedad libre no ligada del material. Depende
solo de las propiedades y velocidad del aire.
En esta etapa el sólido esta muy mojado de manera que
hay una película de agua continua sobre ella. Este agua
es no combinada y actúa como si el sólido no estuviera
presente, aunque las hendiduras y ondulaciones ayudan
a obtener una velocidad mayor que la que tendría una
superficie totalmente plana. Este período continua
mientras siga llegando agua a la superficie desde los
poros del interior del material a la misma velocidad con
que se evapora. En ausencia de radiación o conducción,
correspondería a la temperatura del bulbo húmedo.
CURVAS DE VELOCIDAD DE SECADO
25
Etapa C-E:
El punto C corresponde al contenido crítico de humedad libre Xc.
Allí comienza el segundo período de secado o período de velocidad de secado
decreciente. Se evapora la humedad ligada del material y predominan las condiciones
internas o las características internas y externas simultáneamente.
Durante este período, la temperatura del material sobrepasa la de bulbo húmedo
debido a que el descenso de la velocidad de secado rompe el equilibrio térmico que mantiene
estable la temperatura y una parte considerable del calor se emplea en un calentamiento del
sólido.
Este período de velocidad decreciente puede dividirse en dos partes, con diferentes
comportamientos de la velocidad de secado, la cual decrece cada vez mas al disminuir la
humedad del sólido.
En la etapa CD no hay suficiente agua en la superficie como para mantener la
película continua de agua y la humedad superficial comienza a decrecer hasta alcanzar el
punto D que es cuando la superficie queda totalmente seca. Predomina el secado superficial
por procesos difusionales.
A partir de este punto el agua evaporada atraviesa el sólido para llegar a la
corriente de aire. Predominan los procesos de capilaridad.
En algunos casos puede no distinguirse dos zonas de velocidad decreciente y los
tiempos entre uno y otro período pueden ser muy diferentes como así también los
contenidos de humedad extraídos.
CURVAS DE VELOCIDAD DE SECADO
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Curvas de Velocidad de Secado para diferentes materiales
Período de velocidad decreciente controlado
por capilaridad en un sólido de poros gruesos
Humedad libre, X Humedad libre, X Humedad libre, X
Ve
lo
ci
da
d 
de
 s
ec
ad
o,
 R
Ve
lo
ci
da
d 
de
 s
ec
ad
o,
 R
Ve
lo
ci
da
d 
de
 s
ec
ad
o,
 R AAAC C C
B
B
Período de velocidad decreciente
controlado por difusión
Período de velocidad decreciente controlado
por capilaridad en un sólido de poros finos
27
28
Velocidad de secado constante (entre X1 y Xc)
Cuando el calor de evaporación en el período de secado de velocidad constante es 
proporcionado por aire caliente, se establece un equilibrio dinámico entre la velocidad 
de transferencia de calor del aire al sólido y la velocidad de evaporación. Bajo estas 
condiciones la superficie del sólido alcanza la temperatura de saturación adiabática o 
temperatura de bulbo húmedo.
La velocidad de transferencia convectiva de calor q (energía/tiempo) está dada por:
q=hA(T-Ti); 
y el flujo másico por
J =k (Ci-C )= k r (Hi-H ) (analizado desde el lado del gas);
J=-( Ls /A )dX /dt (analizado desde el lado del sólido)
q= velocidad de transferencia convectiva de calor (energía/t) J = Flujo de agua [M/L 2 º t]
h = Coeficiente de transferencia de calor en la superficie del sólido y la 
película estancada de aire sobre ésta [cal/L 2 º t]
k = Coeficiente de transferencia de masa en la película estancada de aire 
sobre el sólido [L/t] 
T = Temperatura en el seno del aire [º] C = Concentración de agua en el seno del aire[M/L3 ] 
Ti = Temperatura en la superficie del sólido [º] Ci = Concentración de agua en la superficie del sólido [M/L3 ] (equilibrio)
A = Área expuesta al secado [L2] X = Humedad libre del sólido (base seca)
ρ, = Densidad del aire seco[M aire seco / L3 de mezcla] = 1/ VH Ls = masa de sólido seco
dt
dX
A
LJRR Sc  )( 1XXAR
Lt
c
S 
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Velocidad de secado decreciente (entre Xc y X*)
El periodo de velocidad de secado decreciente puede involucrar una 
evaporación menor de agua que la velocidad de secado constante 
pero una mayor fracción de tiempo total de secado 
Uno de los modelos más sencillos para describir este período 
establece una relación lineal de la velocidad de secado con la 
humedad, de la siguiente forma:
cs
c
s
c
c
c
c
c
pcc
cc
XL
ARa 
L
ARaX
dt
dX
X en Pero
X
X
a
1ttt
XX tt
XX tt
final tiempoy crítico tiempo entre Integrando
ctea donde aX
dt
dX
c





;
)ln(
;
)ln(
AR
L)(
c
 s
1 X
XXXX
AR
Lt ccc
c
S
total 
)ln(
X
X
AR
XLt c
c
c s
pc 
)( 1 XXAR
Lt
c
S
ac 
Diagramas de equilibrio 
para la mezcla: aire - agua
Diagrama psicrométrico: Humedad – Temperatura, mezcla gaseosa 
(aire/agua) a una presión total de 101,325 kPa (760 mmHg) 
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Diagramas de equilibrio 
para la mezcla: aire - agua
Diagrama de Mollier: Entalpía – Humedad, mezcla gaseosa (aire/agua) a una 
presión total de 101,325 kPa (760 mmHg) 
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Enfriamiento de un gas húmedo 
Un gas se enfría desde el estado A, hasta el punto de rocío B, luego pasa a C condensa agua y luego pasa 
a un estado D a menor temperatura pero sobre la curva de saturación
Diagrama psicrométrico Diagrama de Mollier
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Balances de Materia y Energía en Secaderos
a) Secadero a Bandejas
V’ (kg de aire seco / h), flujo de aire
Y (kg de agua/kg de aire seco), humedad 
Ls (kg de sólido seco), carga de sólido seco
Hy (kcal / kg de aire seco), entalpía del aire
X (kg de agua/kg de sólido seco), contenido de humedad del sólido
NA(g), NA(s) densidades de flujo de agua en las fases gas y sólida
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










































extensiva
propiedadde
oducciónPr
difusivoflujo
porneta
Entrada
convectivoflujo
porneta
Entrada
extensiva
propiedad
nAcumulació
Balance de Materia (en moles):
I.) Fase gas (sistema abierto)
0´´0 int  ANYM
VY
M
V g
AE
A
A
A
II.) Fase sólida (sistema cerrado)
.intANdt
dX
M
L s
A
A
s 
III.) Global  
dt
dXFYY
M
V
EA
A

´
en función de la velocidad de secado:
dt
dX
adt
dm
A
R
dt
dX
a
A
dt
dXVol
dt
dm s
ss

 
.int
.int 1;
V´,HyE, YE V´,HyA, YA 
QH WuQD
gas
sólido
NA(g)
NA(s)
Ls, kg de sólido 
seco
a) Secadero a Bandejas (continuación)
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V´ (YwE – YwA) - (Ls a /rs) R = 0 
YwE = YwA + (Ls a /rsV´) R 
YwE - YwA = (YwE - Ywo) – (Ywo - YwA) 
r2 r1
1 = (YwE - Ywo) / (YwE - YwA) – (Ywo - YwA) / (YwE - YwA)
1- r r = r1/r2
aplicando la regla de la palanca V’0 (1-r) = V’[r+(1-r)]; 
V’0 = V’/(1-r) V’M= V’0 – V’= V’r/(1-r)
Balance de Energía:HyA V´ - HyE V´+ Wu + QH – QD = 0
HyA - HyE + Wu / V´ + (QH – QD ) / V´ = 0
Balance de materia:
HyE
HyM
HyA
Hy0
YwA Yw0 YwE
(QH – QD)/V´
Wu / V´
r 1-r
Hy
Diagrama entalpía - humedad
a) Secadero de Bandejas: Balances de materia y energía
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b) Secaderos continuos 
HS0 HSZ
V ,́ HyA,YwA
V ,́ HyE, YwE
QH
QDWF
WS
r
YW0
YWZ
YwA Yw0 YwZ
r 1-r
C 
A 
B 
D 
Balance de materia:
V´ Ywo + L´ Xo = V´ Ywz + L´ Xz ; 
V´(Ywo – Ywz) = L´(Xz –Xo)
Si definimos r como la masa de gas seco que se recicla por 
unidad de masa que circula por el secadero.
Ywo = r Ywz + (1- r) YwA
r = (Ywo – YwA) / (Ywz – YwA) 
El punto A corresponde al estado de aire fresco 
alimentado, B la mezcla de aire a la entrada, C el mismo 
aire pero una vez calentado, y D el aire que sale del 
secadero.
AB/BD = r/(1-r) ; AB/AD = r 
rV´rL´(1-r)L´
(1-r)V´
(1-r)L´ Xo
Xz
L´ V´
Hy
37
HyE
(Hsz-Hso) L´/V´
HyA
Hy0
YwA Yw0 wE
(QH – QD)/V´
(WF+WS)/ V´
r 1-r
Balance de Energía
HyA V´+ QH + Hso L´+ WF + WS - HyE V´ - QD – Hsz L´ = 0
HyA + (QH - QD) / V´ + (Hso – Hsz) L´/ V´+ (WF + WS)/ V´- HyE = 0
Hy
b) Secaderos continuos 
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Ejemplo 1: Ensayo de secado de un producto alimenticio: En un ensayo se
obtuvieron los siguientes datos, con un secadero de bandeja y flujo de aire sobre
la superficie expuesta, con área de 0,186 m2. El peso de la muestra totalmente
seca fue de 3,765 kg. La muestra húmeda en equilibrio pesó 3,955 kg . Construir
la curva de secado y de velocidad de secado.
A partir del gráfico obtener Rc y Xc. Estimar el tiempo total para secar la muestra
desde X=0,2 a X= 0,04.
Tiempo, h Peso, kg
0 4,944
0,4 4,885
0,8 4,808
1,4 4,699
2,2 4,554
3 4,404
4,2 4,241
5 4,15
7 4,019
9 3,978
12 3,955
39
Ejemplo 2: Un material sólido insoluble y granular con humedad se está
secando en el período de velocidad constante en una bandeja de 0,61m x
0,61m con una profundidad de lecho de 25,4 mm Los lados y el fondo del
lecho están aislados. El aire fluye paralelo a la superficie superior a una
velocidad de 3,05 m/s y tiene una temperatura de bulbo seco de 60ºC y de
bulbo húmedo de 29,4ºC La bandeja contiene 11,34 kg de ss con un
contenido de humedad libre de 0,35 kg agua/ kg ss, y se desea secar el
material en el período de velocidad de secado constante hasta lograr 0,22 kg
a/kg ss. Calcular el tiempo estimado y la velocidad de secado. Rehacer los
cálculos si la profundidad del lecho cambia a 44.5 mm
40