secado a alta temperatura: alta capacidad de...

Secado a Alta Temperatura:Alta Capacidad de Secado

INTA

Grupo POSCOSECHA

Ing. Agr. (PhD) Ricardo Enrique Bartosik

Ing. Agr. (PhD) Juan Carlos Rodríguez

Secadoras Continuas

Flujo Cruzado Flujo Mixto Columnas Flujo Mixto

Secadoras ContinuasDirección del flujo del aire y del grano en la secadora tienen efectos

importantes en:

• Capacidad de secado

• Eficiencia energética

• Temperatura del grano

• Calidad del grano

EEUU y Canadá = flujo cruzado

Europa = flujo mixto

Argentina = flujo cruzado y flujo mixto

Flujo Concurrente = EEUU (alta inversión, granos con alto valor agregado)

Secadoras Continuas

• Generalmente poseen dos secciones:– Secado >>2/3 de la secadora

– Enfriado >>1/3 (pueden modificarse y funcionar “todo calor”)

• La función de la sección de enfriado es enfriar el grano de 3-6 ºC por encima de la temperatura ambiente

• El grano puede perder entre 0.5 y 1 % de humedad en la sección de enfriado

Secadoras Continuas

• Alto flujo de aire: 75 a 125 m3/min/t

• Presión estática relativamente baja: 0.249-1.25 kPa (25-130 mm de agua)

• Potencia de ventiladores relativamente grande

• Capacidad del quemador relacionada al caudal de aire y a la temperatura de secado

• Consumo de combustible depende del tipo de combustible (energía disponible en el combustible) y de la eficiencia de conversión del combustible en calor

Secadoras de Columnas

Flujo Cruzado

Secadora de Columnas

+

Ventilador

Rosca de

entrada

Columna de Grano

Ventiladory

Quemador

Tolva de Húmedo

Plenum de Aire

Caliente

Plenum de Aire

Frío

Rosca de

Descarga

Medidor

De grano

+

Secadoras de Caballetes

Flujo Mixto

Secadora de

Caballetes

Secadora de Caballetes

Secadora Columnas-Flujo

Mixto

Secadoras de Columnas con Flujo Mixto

Secadoras de Flujo

Concurrente

El Secado de Granos Requiere

• Energía

• Aire

• Tiempo

Cuanto Mas Alta es la Temperatura del Aire de Secado

El proceso de secado será:

… más rápido y

… más eficiente

0 38 65 93 121 150

Ener

gía,

BTU

/lb

de

Agu

a (1

00

0)

Flujo de Aire

Secadora de Flujo CruzadoMaíz de 25 a 15%

Temperatura de Secado y Capacidad de la Secadora

Temperatura del Aire, ºC

Como Determinar la

Capacidad de Secado

Capacidad de Secado• Se expresa en t por h para bajar la H° del grano en:3 puntos (17 a 14 % trigo Arg.) (5-10 ptos. maíz, en USA)

• Depende de:– Humedad inicial del grano– Temperatura de secado– Caudales de aire de secado y enfriado– Tiempo de residencia del grano en la secadora– Condiciones ambientales– Producto a secar– Tamaño, tipo y estado de mantenimiento de la

secadora

Capacidad de Secado• Por marketing, generalmente la capacidad de

secado que se publica es la que se puede obtener bajo condiciones ideales (rara vez ocurren).

• Una estimación de la capacidad de secado mas realista es aproximadamente de 70 a 80 % de los valores publicados.

• Las secadoras se pueden testear– Norma ISO 11520-1:1997 “Secadoras de granos-

Determinación de la performance de secado-Parte 2: Procedimientos adicionales y requerimientos específicos por cultivos”

Efecto del Hibrido en la

Capacidad de Secado

Comparación entre un hibrido de alta

con uno de baja capacidad de secado

+18%

Drying Times for Soybean Varieties (Giner 1995)

0 20 40 60 80 100 120 140

Torcaza 63

Tancacha INTA

OFPEC Juan Fe

OFPEC 627

Norking 641

Mitchell

Martineta 50

Inriville INTA

Hood SCA

Hood 75

Federada 1 INTA

Farnailla 841

Farnailla 837

Deltapine 345

Crawford

Copetona 53

Coker 237

Bragg SC

Bigua 54

Asgrow 6381

Asgrow 5502

Asgrow 5306

Asgrow 3127

Minutes

Series2Soja secada de 22 a 13% a 60ºC

+55%

Fuente: Giner, 1995

Tiempo de secado para distintas variedades de soja

Como Mejorar La Eficiencia

de Secado

(Un tema al que se vuelve cada

vez que los precios de los

combustibles aumentan)

Eficiencia de Secado

• Se define como la cantidad de energía

requerida por kilogramo de agua evaporada

durante el proceso de secado

• Depende de:

– Diseño de la secadora

– Cantidad de humedad removida

– Condiciones climáticas

Eficiencia de Secado

• Eficiencia de secado para secadoras de alta capacidad esta en el rango de 3.48 a 10.45 mJ/kg

• Para evaporar 1 kg de agua libre se requieren de 2.09 a 2.55 mJ/kg

• Evaporar agua de granos en condiciones ideales requeriría entre 2.55 a 3.02 mJ/kg

• Minimizar costos de secado = Maximizar eficiencia de secado

adaAguaEvapor

bustibleEnergiaComeCombustiblSecadoEf

*_

Como Mejorar la Eficiencia de Secado

• Asegurarse que todo el calor generado se utiliza en evaporar agua del grano– Aislamiento térmico de la secadora

• Útil en regiones frías

– Temperatura diferencial– Recuperación de calor

• Recirculación del aire caliente no saturado• Enfriado con flujo de aire revertido (columnas)

– Implementar sistemas de secado combinados

Temperatura Diferencial

Grano Húmedo

Grano mas seco

Alta

temperatura de

secado

Baja

temperatura de

secado

Aire Saturado

Aire No Saturado

Aire

Saturado

Aire

Menos

Saturado

Recirculación con recuperación de calor

Recirculación del aire

Aire frío y

húmedo

(saturado)

Aire caliente y

seco

(no saturado)

Grano húmedo

Grano menos

húmedo

Recuperación de Calor en el

Enfriado• Enfriado con flujo

de aire revertido

• Recupera parte del calor

• Reduce el estrés térmico del grano

• Reduce granos fisurados

Secadoras de Flujo Cruzado

Temperatura del Aire de Secado (C°)

Flujo del Aire (m

3/min/m

3)

Gradiente de Humedad (%)

Consumo de Energía Específica (MJ/kg de

H2O Evaporada)

Evaporar Agua Pura a 100 °C (MJ/kg de H2O

Evaporada)

Convencional 68 42 5 6,9

2,45Cambio de

Dirección del Flujo de Aire + Recirculación

65 58 1,3 4,9

42,3 %

Convencional Cambio de Dirección del Flujo de Aire + Recirculación

Fuente: Pierce &Thompson (1981)

Secado y Calidad del Grano

Problema:

A mayor temperatura de secado = mayor capacidadPero…

Menor calidad de grano

Temperatura del Grano I

• La máxima temperatura que alcanza el grano durante el proceso de secado es el principal factor que puede afectar la calidad del grano!!!!

Temperatura del aire de secado ≠ Temperatura del grano

• Altas temperaturas del grano pueden causar:– Reducción del contenido de proteína disponible

– Incremento de granos figurados (maíz y arroz)

– Arrugado de la superficie del grano

– …

Temperatura del Grano II

• …– Reducción del rendimiento de “grits” y harinas en la

molienda seca de maíz

– Reducción del rendimiento de almidón en la molienda húmeda de maíz

– Reducción del rendimiento y la calidad de aceites de oleaginosas

– Reducción de la calidad panadera del trigo

– Reducción de la viabilidad de la cebada y semillas en general

Granos Fisurados

Susceptibilidad a la Rotura (Granos Fisurados)

Daño interno:• Micro fisuras en el endosperma

que resultan en granos frágiles y partidos

• Excesivas fuerzas de compresión o tensión durante el secado, enfriado o rehidratado del grano

• Secado seguido de enfriamiento brusco

CeroSimpleDobleMúltiple

Granos Fisurados

vs. Método de Secado

0

20

40

60

80

Low-T

emp

Bat

ch, 1

13F

Bat

ch, 1

40F

Bat

ch, 1

76F

Dryer

a., 1

40F

Dryer

a., 1

76F

Dryer

a., 2

12F

(Fuente: Brown et al., 1979)

En silo a baja

temperaturaAlta temperatura

(Columnas)

Seca-aireación

A mayor

temperatura,

mayor porcentaje

de granos

fisurados

Efecto de la Remoción de

Humedad en Granos Fisurados

0%

10%

20%

30%

40%

11% 13% 15% 18%Humedad Final

Fisurados

Secadora Ninguna (%) Simple (%) Doble (%) Múltiple (%) Total (%)

Columnas 11.3 3.4 38.6 45.8 87.8

FCC 47.6 5.8 27.1 19.7 52.6

Caballetes 32.0 8.0 32.5 25.0 65.5

Granos de maíz fisurados después de secados en secadoras

comerciales de columnas, flujo concurrente y caballetes

(Fuente: Montross et al. 1994)

Efecto de la Temperatura de Secado

en la Calidad Panadera del Trigo

La temperatura del grano es

muy difícil de controlar porque

es diferente a la temperatura

de secado

Temperatura del Aire vs. Temperatura del Grano en una

Secadora de Flujo Mixto (Foster,1964)

Temperatura (°C)

Aire 60 88 115 143

Grano 49 65 77 93

Dif. 11 23 38 53

Tipo de Grano – Uso Final – Máxima

Temperatura de Grano

Maíz Semilla & Molienda Seca 38-43ºC

Molienda Húmeda 54-60

Balanceado 71-82

Trigo Semilla (> 24%) 43

Semilla (< 24%) 49

Harina 49-65

Soja Semilla 38

Extracción Aceite 49

Girasol Alimento 60-77

Extracción Aceite 77-90

Máxima Tasa de Secado

Grano Perdida Humedad %

Maíz, Sorgo, Girasol Menos de 5% / hora

Trigo Menos de 4% / hora

Soja Menos de 3% / hora

Arroz Menos de 2% / hora

Problema:

Variabilidad en la

Temperatura y Humedad del Grano dentro de la Secadora

Temperatura del Grano: Secadoras

de Columnas• En las secadoras

de columnas se produce un importante gradiente de temperatura y humedad del grano a través de la columna

• Ancho de Columna:– Columna ancha

>> mayor eficiencia y mayor gradiente

Flujo del

grano

Grano Caliente

y Sobresecado

Grano Frío y

Húmedo

Grano a la humedad

deseada

Aire

Caliente

y Seco

Aire Frío

y

Húmedo

Gradiente

Secadora de Columnas Maíz de 25 a 19% - Temp. 110ºC

Distancia Temperatura Contenido GranosDe la entrada Grano Humedad Fisurados

Centímetros °C % %

1.3 102 10 48

7.6 78 20 11

14 51 24 10

Secadoras de Columnas

Modificadas

Inversión del flujo de aire

•Dos módulos de secado:

•Flujo de aire se invierte en

el segundo modulo

•Reduce el gradiente de

temperatura

•Reduce el gradiente de

humedad (hasta 3.5

puntos)

Aire

Caliente

y Seco

Aire

Caliente

y Seco

Aire Frío

y

Húmedo

Aire Frío

y

Húmedo

Menor gradiente

Secadoras de Columnas

Modificadas

Inversión de la columna de

grano

•Dos módulos de secado:

•La columna de grano se

invierte

•Reduce el gradiente de

temperatura

•Reduce el gradiente de

humedad

Aire

Caliente

y Seco

Aire

Caliente

y Seco

Aire Frío

y

Húmedo

Aire Frío

y

Húmedo

Menor gradiente

Inversión

de columna

Secadoras de Columnas

ModificadasDescarga diferencial

• La parte de la columna que se seca mas rápidamente se descarga también mas rápido

• Mejora fundamentalmente el gradiente de humedad

Aire

Caliente

y Seco

Aire Frío

y

Húmedo

Secadoras de Columnas

Modificadas• Se pueden poner en práctica una o mas

modificaciones a la vez

• Sin embargo en las secadoras de

columnas siempre habrá gradiente de

temperatura, humedad y calidad del grano

Secadoras de Caballetes

• Las secadoras de caballetes (flujo mixto) producen un secado mas uniforme del grano:

– Menor gradiente de humedad, temperatura y calidad del grano

Problema:

Alta Variabilidad en la Humedad Inicial

Distribución de la Humedad del

Grano en la Espiga de Maíz

Espiga Promedio Rango Des. Est.

Punta 18.1 13.0-25.0 3.08

Medio 25.0 13.5-33.5 4.40

Base 24.8 15.5-36.5 5.44

Promedio 24.8 15.5-34.0 4.47

Experimento: Humedad del Grano a la

Entrada de la Secadora

0

4

8

12

16

15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

moisture content, %w.b.

perc

enta

ge of

ker

nels,

%

average MC=27.3%

SD=3.89%

SD = 3.89

Secadora Promedio

(%)Rango (%) Desvío Estándar

Ent Sal Ent Sal Ent Sal

Columnas 20.8 15.0 10.0 – 33.1 8.5 – 31.5 3.92 4.82

FCC 21.7 14.7 14.5 – 37.5 7.0 – 34.0 4.42 4.57

Caballetes 22.4 14.8 8.5 – 38.5 8.0 – 35.5 4.23 4.19

Humedad promedio, rango de humedad y desvío estándar de muestras de granos de maíz tomadas a la entrada y salida de secadoras comerciales de

columnas, flujo concurrente (FCC) y caballetes

(Fuente: Montross et al. 1994)

Problema:

Correcta Determinación del contenido de Humedad

Técnica de Capacitancia Eléctrica

Las lecturas de CH son afectadas por:

• Densidad de envasado

• Temperatura: NO pueden medir con precisión

cuando la temperatura de los granos supera los

33 °C, o cuando la diferencia entre la muestra y el

aparato es superior a 20°C.

• Distribución de la humedad dentro del grano y por

la presencia de cuerpos extraños en la muestra.

• Curvas y la CALIBRACIÓN.

Determinación del contenido de Humedad (CH) de los Granos

CH individual de los granos

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10

.0

10

.5

11

.0

11

.5

12.

0

12

.5

13

.0

13

.5

14

.0

14

.5

15

.0

15.

5

16

.0

16

.5

17.

0

17

.5

18

.0

18

.5

19.

0

19

.5

20

.0

20.

5

21

.0

21

.5

% d

e gr

ano

s

CH (%)

A1

A2

A3

B1

B2

B3

CH individual de los granos

0

10

20

30

40

50

60

70

801

0.0

10

.5

11

.0

11

.5

12

.0

12

.5

13

.0

13.

5

14

.0

14

.5

15

.0

15

.5

16

.0

16

.5

17.

0

17

.5

18

.0

18

.5

19

.0

19

.5

20

.0

20.

5

21

.0

21

.5

% d

e gr

ano

s

CH (%)

A1

A2

A3

B1

B2

B3

Compensación de Temperatura

Grano Frío La humedad superficial condensada causa

lecturas altas en los medidores electrónicos

- Prevención: Equilibre la muestra en un contenedor sellado a

temperatura ambiente antes de la medición

Compensación de Temperatura

Grano Caliente Granos calientes y secos a la salida de la secadora que no

se han equilibrado todavía causan bajas lecturas en medidores electrónicos

- Prevención: Enfríe la muestra lentamente en un recipiente hermético

antes de la medición.

Enfríe la muestra rápidamente en un recipiente abierto.

Secado Combinado

Seca-Aireación

Enfriado en Silo

Secado

Enfriado

Secado

(Todo Calor)

Grano Frío y Seco

(listo para ser almacenado en un silo)Grano caliente (40-50ºC) y Húmedo

(1.5-3% por encima de Humedad Final)

Modificación

Seca-Aireación: Modificación de la Secadora

Secuencia del Proceso de Seca-

Aireación

Secado a

Todo Calor

Estabilización

(Tempering)

Enfriado y

Secado Final

Almacenaje

Final

Proceso de Secado

Aire de Secado

(Caliente y Seco)

Aire de Secado

(Frío y Húmedo)

Al calentarse evapora agua

El grano pierde agua desde afuera hacia

adentro

Aire de entrada

Aire de salida

Cuanto mas caliente y seco,

mas potencial de secado

Cuanto mas saturado, mas

eficiente el secado

Agua

Difusión

Proceso de Estabilización

(Tempering)Gradiente de Temperatura

Gradiente de Humedad

Alta

Temperatura

Baja

Temperatura

Alta

Humedad

Baja

Humedad

4-12 horas

Estabilización

Salida de la Secadora

Temperatura

Humedad

Reducción del Gradiente

Después de la

Estabilización

Seca-Aireacion: Enfriado y Secado

Final• El calor del grano se utiliza para

remover la humedad remanente (1.5-3%)

• Sistema de aireación bien dimensionado:– Buena distribución del aire– Suficiente caudal de aire

(0.5-0.75 m3/min/t)• Adecuado dimensionamiento de las

bocas de venteo y extractores de aire (problemas de condensación)

Efecto de la Estabilización en la Variabilidad de la Humedad y % de Granos Fisurados (A. Hebert, 2005)

S in g le K e rn e l M o is tu re T e s t 1

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

0 1 2 3 4 5 6

% M

C

H o u r 0

H o u r 1

H o u r 2

H o u r 3

H o u r 4

C ra c k Te s t

1 0 /2 9 /2 0 0 3

Cra

ck

2 .4 5 2 .3 9 1 .9 6 1 .4 0 1 .0 9

1 .3 0 1 .1 7 1 .2 6 1 .0 4 0 .8 7

H d.e.

F d.e.

Humedad de Grano - Tomadas sobre Granos Individuales

Fis

ura

do

sH

um

ed

ad

, %

Horas de Estabilización (Tempering)

Seca-Aireación: Beneficios

• Eliminación de la zona de enfriado de la secadora– Incrementa la capacidad de secado de la secadora (mas

volumen destinado a secado)

• Incremento de la temperatura del aire de secado sin sobrecalentar el grano– Disminuye el tiempo de residencia del grano en la secadora

(humedad del grano a la salida es > 15%)

• Estabilización (tempering) reduce variabilidad en la humedad final del grano y también reduce el porcentaje de granos fisurados.

• MEJOR CALIDAD DE GRANOS Y MENORES COSTOS DE SECADO

Seca-Aireación: Desafíos

• Requiere manejo mas ajustado

• Mayor inversión inicial

• Mayores beneficios en climas fríos

• Sistemas continuos: todavía no están bien desarrollados

Enfriado en Silo• Es una variación de la

seca-aireacion

• La secadora funciona a todo calor

• El grano sale de la secadora caliente y húmedo

• Se traslada a un silo y el enfriado comienza sin el periodo de estabilización

• No es tan eficiente como la seca-aireacion

Secado a

Todo Calor

Estabilización

(Tempering)Enfriado y

Secado Final

Control Automático de la

Secadora

Control Automático de la Secadora

Sensor de

Temperatura

Sensor de Humedad

Sensor de Temperatura

Control de la Secadora• Secadoras con control basado en la medición de la temperatura son

de importancia para el control de la temperatura del grano (no recomendados para humedad)

• Sirven fundamentalmente para preservar la calidad del grano –Semillas, Trigo

Control de la Secadora

• Secadoras con control basado en la medición de la humedad del grano va a ser un estándar del mercado– No puede solucionar el problema de la variabilidad de humedad en

los granos individuales

– Problemas: alta variabilidad de humedad de ingreso a la secadora, ubicación del sensor de humedad, limpieza del sensor y funcionamiento del sensor (no se puede controlar lo que no se puede medir)

• Sistemas de control basados en la calidad del grano no han sido aun comercializados (modelos matemáticos)– Se están realizando investigaciones para desarrollar controles para

secadoras basados en la temperatura de gelatinización del arroz (Universidad de Arkansas)

– También se están desarrollando modelos de desnaturalización de proteínas (trigo) y germinación para controlar procesos de secado

Innovaciones del Secado

• Modelos de simulación

• Permiten estudiar los diferentes factores que afectan los procesos de secado (temperatura, humedad inicial, caudal de aire, etc)

• Son especialmente útiles para buscar límites de funcionamientos y comparar situaciones

• Permiten evaluar numerosas alternativas de manera rápida y económica

Planilla Cálculo Costos

Secado INTA

http://inta.gob.ar/www.inta.gov.ar/poscosecha

www.facebook.com/poscosechadegranos

www.congresosilobolsa.com.arwww.cosechaypostcosecha.orgwww.agriculturadeprecision.orgsantajuliana.diego@inta.gob.ar

GRACIAS!!!!