Modelo de flujo en pistn en una sola dimensin de una torre de secado en contracorriente por pulverizacin (spray)Muzammil Alia, Tariq Mahmuda,, Peter John Heggsa, Mojtaba Ghadiria,Dusan Djurdjevicb, Hossein Ahmadianb, Luis Martin de Juanb, Carlos Amadorb,Andrew BaylybaInstitute of Particle Science and Engineering, The University of Leeds, Engineering Building, Leeds LS2 9JT, UKbP&G Technical Centres Ltd, Whitley Road, Longbenton, Newcastle Upon Tyne NE12 9BZ, UKaResumenUn modelo numrico unidimensional para un proceso de secado en suspensin de detergente en una torre de secado por pulverizacin a contracorriente se desarrolla para la prediccin de los perfiles de temperatura de las partculas de gas y gota dentro de la torre. El modelo acomoda gotas / partculas en rangos de tamaos. Un modelo de secado de gotas en suspensin semi-emprica est integrado con una torre en contracorriente de simulacin basada en balances de masa, energa y cantidad de movimiento de partculas y de la fase de impulso de partculas en orden para calcular la velocidad de secado y el tiempo de residencia de las partculas dentro de la torre. Los de primer orden junto con ecuaciones diferenciales ordinarias para las dos fases se resuelven numricamente mediante el mtodo de toma en un algoritmo iterativo desarrollado en MATLAB. Las predicciones del modelo numrico se comparan con los resultados de. La planta piloto industrial se encuentra a variar de forma significativa con la distribucin del tamao especificado de las gotas. A pesar de la simplicidad del modelo e ignorar la coalescencia, aglomeracin, deposicin de la pared y re-arrastre, el modelo da algo razonable con los datos experimentales.

ArticuloEl secado por pulverizacin es uno de los mtodos ms comunes para la fabricacin de una amplia variedad de productos particulares en las industrias qumicas, de alimentos, productos para el cuidado del hogar, farmacuticos y de la cermica. El secado por pulverizacin implica la evaporacin del disolvente de una solucin o suspensin que contiene slidos utilizando un gas caliente para transformar las gotas en partculas secas. El secado por pulverizacin se lleva a cabo en una torre, en el que la solucin o suspensin se pulveriza en gotas pequeas utilizando boquillas. Las gotas entran en contacto con una co-corriente o flujo de gas caliente en contracorriente y simultneamente de intercambio de calor, de masa y momentum, lo que resulta en la formacin de partculas slidas en una sola unidad (Masters,1972). Las Co-corrientes en las torres de secado por pulverizacin son adecuadas para el secado de productos sensibles al calor como el gas caliente entra en contacto con las gotas en la parte superior, donde las gotitas tienen el mximo contenido de humedad y estn a la temperatura de bulbo hmedo. El gas pierde la mayor parte del calor en la parte superior en la evaporacin de la humedad de las gotas. Las torres de secado por pulverizacin en contracorriente se utilizan para los productos trmicamente estables como detergentes y la cermica como el gas caliente entra en contacto con partculas secas justo antes de que las partculas salen de la torre. Estas torres de secado por pulverizacin son trmicamente ms eficientes debido a una mejor utilizacin del calor debido al contacto contra corriente entre las dos fases y existe una diferencia de temperatura ms elevada entre las dos fases en la mayor parte de la altura de la torre. Este estudio trata sobre la modelizacin de una torre de secado por aspersin en contracorriente. fig 1. Es un diagrama esquemtico de una torre de secado por pulverizacin a contracorriente. El contenido de humedad, densidad aparente, la distribucin de tamao de partcula y la temperatura son importantes propiedades y parmetros de los productos en polvo secados .El modelado de la torre de secado por pulverizacin permite la prediccin de estas propiedades del polvo seco, y por lo tanto, la optimizacin de la operacin de secado. Esto requiere modelar el secado de gotas / partculas en el interior de la torre considerando interaccin en los procesos de transporte entre las gotas o partculas y el gas caliente.Tabla de nomenclatura (anexado al final)El secado por pulverizacin implica un complejo flujo de gas y el nmero de las partculas. El modelado de torres de secado por pulverizacin es muy difcil, debido a la complejidad asociada con la integracin del secado de las gotas con la interaccin hidrodinmica de transferencia de calor y / masa y momentum entre las dos fases. Esto es an ms exagerada debido a las interacciones entre

Las gotas o partculas (que provoca la coalescencia / aglomeracin / rotura) y la interaccin entre las gotas / partculas y la pared (lo que resulta en la deposicin de la pared). Para capturar estos procesos de una manera rigurosa, se requerira un esfuerzo de modelado avanzado combinando CFD con DEM y el equilibrio de la poblacin estara obligado a dar cuenta de la colisin entre las partculas, coalescencia, aglomeracin, la deposicin en la pared y re-arrastre de las partculas de la pared. Sin embargo, esto sera muy computacionalmente intensivo. Es muy deseable disponer de un modelo ms simple cuando se hace en funcin del modelo de secado de gota, variables de proceso de entrada, tiempo de residencia y perfiles de temperatura necesita ser evaluado en un tiempo razonablemente corto.Muchos investigadores han estudiado el comportamiento de secado de una sola gota experimentalmente (Charlesworth y Marshall, 1960; Cheong et al, 1986;. Furuta et al, 1983;. Hassan y Mumford, 1993; Hecht y King, 2000a; Lin y Gentry, 2003 ; Nesic y Vodnik, 1991; Ranz y Marshall, 1952; Sano y Key, 1982; Sunkel y King, 1993). Los datos obtenidos a partir de las observaciones experimentales han permitido el desarrollo de modelos matemticos para la sola gota de secado. Ranz y Marshall (1952) fueron los primeros quienes investigaron la evaporacin de las gotas de agua que contienen slidos disueltos y suspendidos. Para las gotas que contienen slidos disueltos, concluyeron que antes de la formacin de una estructura slida, el disolvente se evapora a una velocidad constante y la solucin se satura a lo largo de la gota. La velocidad de evaporacin es menor que la de un disolvente puro. Para las gotas que contienen slidos en suspensin, la presencia de partculas slidas no reduce la presin de vapor de manera significativa; Por lo tanto, la tasa de evaporacin inicial corresponde a la de disolvente puro. Despus de la formacin de una estructura slida, el perodo de velocidad decreciente comienza y la temperatura se eleva continuamente. Desde entonces, muchos investigadores citados anteriormente han llevado a cabo ms experimentos individuales secado gota para diversas soluciones y gotas de lodo. Estos experimentos revelaron que el comportamiento de secado depende en gran medida el desarrollo morfolgico, que a su vez dependa principalmente de la composicin de la gota. El secado de las gotas que contienen slidos disueltos o suspendidos comnmente se ha dividido en dos etapas distintas (Masters, 1972). En la primera etapa, el lquido se evapora desde la superficie a una velocidad bastante constante. El tamao de la gota es reducido debido a la evaporacin de la humedad. La segunda etapa comienza cuando una corteza slida cubre la superficie de la gota. La velocidad de secado en esta etapa se vuelve totalmente dependiente de la difusin interna de la humedad a la superficie. El contenido de humedad en el que la transformacin de la gota a slido se produce se denomina como contenido crtico de humedad. Hecht y King (2000b) present una tercera etapa que se produce cuando la temperatura de la partcula alcanza el punto de ebullicin de la suspensin. La velocidad de secado en esta etapa es controlada por la velocidad de transferencia de calor a la partcula. Cabe sealar que las partculas en aerosol de secado con una amplia gama de morfologas pueden ser producidos que han sido descritos por varios modelos fenomenolgicos (ver revisin en Charlesworth y Marshall, 1960; Walton y Mumford, 1999). Dos mecanismos de proceso de secado de gota se han utilizado para el desarrollo de modelos matemticos en los estudios anteriores, se hace referencia en este documento como tipo 1 y tipo 2 modelos, como se detalla a continuacin:1. gotas con una corteza slida seca2. gotas con una corteza flexible y una burbuja.Los mtodos de modelizacin basados en estos dos mecanismos difieren en la segunda etapa del proceso de secado. En el modelo de tipo 1, se supone que se forma una corteza slida porosa rgida y el dimetro exterior de la partcula permanece constante. La evaporacin slo se produce en la interfaz entre la corteza y el ncleo hmedo. El vapor se difunde a travs de la corteza slida porosa a su superficie exteriorEl espesor de la corteza slida aumenta a medida que se deposita en la interfaz de corteza interna del nucleo debido a la evaporacin de la humedad (Fig. 2 (a)). El ncleo hmedo sigue disminuyendo hasta que toda la humedad se evapor dando como resultado una partcula porosa seca como se muestra en la figura. 3 (a). En el modelo de tipo 2 (Fig. 2 (b)), despus de la formacin de la corteza slida flexible, la humedad se difunde a la superficie exterior de la partcula desde donde se evapora durante el proceso de secado. Un aumento en la temperatura de la partcula hace que la evaporacin del disolvente con en el ncleo mojado. Se supone que una sola burbuja de vapor saturado situado en el centro se expande debido a la evaporacin del disolvente, lo que aumenta la presin interna de la partcula. Esto hace que la partcula se infle. Un tamao de partcula mximo arbitraria se especifica con el fin de limitar la expansin de la partcula. Este enfoque explica la formacin de partculas huecas secas (Fig. 3 (b)).El modelo de secado gota nico debe ser acoplado con los distintos mecanismos de transferencia que ocurre con en la torre de pulverizacin: impulso, calor y masa, de modo que las propiedades de los polvos secados por pulverizacin se pueden predecir y el funcionamiento de la torre optimizado. Parti y Palacz (1974) desarrollaron un modelo matemtico para el secado de partculas en ambas torres de secado por pulverizacin co-corriente y contracorriente que considera mono partculas de tamao, disperso uniformemente sobre la seccin transversal de la torre de secado por pulverizacin. Las gotas / partculas de aire y velocidades son unidimensionales y paralelo al eje de la secadora, que tambin se llama enfoque de flujo de pistn, en la que se supone la mezcla completa a lo largo de la seccin transversal y no se mezcla de nuevo. La temperatura y la humedad del aire se les permite variar axialmente. El modelo considera la contraccin de secado de la gota debido a la evaporacin de la humedad. El dimetro se mantiene constante una vez que alcanza el contenido de humedad crtico. La prdida de calor de la columna se descuida. Topar (1980) extendi el modelo propuesto por el Partido y Palancz (1974) mediante la adicin de la distribucin del tamao de las gotas. Los resultados del modelo se presentaron para una torre de secado por pulverizacin co-corriente. Se concluy que en el modelo con un nico tamao de las gotas que representa el dimetro medio, las partculas se secaron a cabo en un tiempo mucho ms corto. Montazer-Rahmati y Ghafelebashi (2007) propusieron un modelo matemtico para un secado por aspersin contracorriente de gotas de lodo detergente. El modelo asume flujo de tapn de las partculas y la fase gaseosa. La distribucin de tamao de gota / partcula se representa a travs de un dimetro medio fijo. El secado de las partculas se lleva a cabo utilizando el tipo 1 enfoque de modelado. La prdida de calor de la columna se descuida. Una caracterstica nica de su modelo es el arrastre de las partculas ms finas por el Glasstream salida. La forma ms fina 6% a 8% del producto seco sale de la torre. El intercambio de partculas de la sala hacia abajo moviendo corriente de partculas a la corriente de partculas de movimiento ascendente tiene lugar cuando las partculas de una cierta fraccin de la distribucin en la corriente de partculas en movimiento hacia abajo alcanzan la velocidad.En este documento, un modelo matemtico para una torre de secado por pulverizacin a contracorriente se desarrolla utilizando el enfoque de flujo de tapn. El modelo simula el secado de gotas de lodo detergente de diferentes tamaos utilizando un modelo de secado gota nica semi-emprica desarrollada en el local por P & G (Hecht, 2012), basado en el modelo propuesto por Hecht y King (2000b). El modelo de flujo Plug considera la variacin axial de la temperatura y la humedad del gas caliente. La densidad y la viscosidad del gas caliente se les permite variar como una funcin de la temperatura. El modelo se valida con una planta piloto de torre de secado por pulverizacin industrial y se puede utilizar para predecir y optimizar la operacin en contracorriente de torres de secado por pulverizacin.2. distribucin de tamaoEl proceso de secado por pulverizacin comienza a partir de una distribucin de gotas resultantes de la atomizacin de la alimentacin usando un atomizador. La estimacin de la distribucin inicial tamao puede ser importante para predecir el rendimiento global de la torre de secado por pulverizacin. En este estudio, la distribucin del tamao medido de las gotas de lodo, as como la distribucin del tamao medido del polvo seco se utiliza como la distribucin inicial tamao teniendo en cuenta la distribucin del tamao de dos casos .El de las gotas se mide usando difraccin de lser. La distribucin del tamao del polvo seco se mide por tamizado. La curva de distribucin de tamao acumulado de las gotitas de pulverizacin en la simulacin se representa mediante el uso de ajuste de Rosin-Rammler (colofonia y Rammler, 1933) dada por la FIG. 4 es un grfico de la distribucin del tamao medido en base de masa acumulativa representado por puntos discretos y las lneas continuas representan las respectivas curvas ajustadas usando la ecuacin. (1).

3. Gota o particula modelo secado El secado por pulverizacin de gotas de suspensin de detergente que consiste en una solucin acuosa que contiene partculas slidas insolubles. El modelo de secado de gotas / partculas se aplica a cada tamao de partcula. Los principales componentes de la suspensin en detergentes incluyen un tensioactivo, un polmero, un agente de unin disuelto en agua y un agente de ablandamiento como partculas slidas. La composicin exacta de la suspensin no se puede proporcionar debido a la confidencialidad; sin embargo, es muy similar a la suspensin de detergente estudiado por Griffith et al. (2008) y Handscomb et al. (2009) en el que la suspensin tena un porcentaje de humedad de 29% w / w. El modelo basado en Hecht y King (2000b) ha sido seleccionado para describir la velocidad de secado de la suspensin de detergente en una torre de secado por pulverizacin a contra-corriente, ya que explica la formacin de partculas huecas (vase la fig. 3 (b)), que se observado en las partculas detergentes secadas 3.1. mecanismo de secado de partculas/gotasEl proceso de secado se ilustra en la fig. 5 consiste en cuatro etapas. En la primera etapa (A-C), el calentamiento / enfriamiento de las gotas a la temperatura de bulbo hmedo inicial se lleva a cabo como se evapore la humedad desde la superficie de la gota. El tamao de la gotita tambin disminuye debido a la evaporacin de agua en esta etapa. La segunda etapa (C-D) comienza cuando el agua en la gota es insuficiente para mantener una condicin saturada en la superficie de las gotas, causando as una corteza slida para formar en la superficie. La temperatura de la partcula comienza a subir rpidamente en esta etapa. La tercera etapa (D-F) comienza cuando la temperatura de la partcula es igual al punto de ebullicin de la suspensin. La partcula se infla en esta etapa debido a la evaporacin interna de la humedad en una burbuja de vapor saturado. El secado contina despus de inflado mxima de la partcula hasta que la humedad alcanza el equilibrio. En la cuarta etapa, la temperatura de la partcula se aproxima a la temperatura del gas y la humedad de equilibrio en la partcula cambia en consecuencia.3.2. Supuestos del modelo de secado Las siguientes suposiciones son vlidas para el modelo de secado gota / partcula utilizada en este estudio: 1. No hay gradientes de temperatura / concentracin con la gota / partcula. Desde las gotas / partculas son muy pequeas (que van desde 50micrometros a 2300), la variacin de la temperatura dentro de la gota se puede despreciar (el numero de Biot es pequeo