Dimensionamiento de un secador por atomización: cálculo de capacidad de evaporación, potencia de calentamiento y caudal de aire

Un secador por atomización se dimensiona por su capacidad de evaporación, los kilogramos de agua que elimina por hora, y no por la producción de polvo ni por la altura de la torre. Para dimensionarlo, convierta la producción de polvo requerida en agua a evaporar mediante el contenido de sólidos de la alimentación y luego estime el calor y el caudal de aire necesarios a partir de las temperaturas de entrada y salida. El cálculo siguiente es una primera estimación; un ensayo piloto y el diseño del proveedor confirman la máquina final.

Muchos problemas de cotización empiezan con la cifra equivocada. Quien pide «un secador por atomización de 100 kg/h» puede referirse a 100 kg/h de polvo, 100 kg/h de alimentación o 100 kg/h de agua evaporada, y estas cifras difieren en un factor de dos o más. Esta guía muestra cómo convertir su objetivo de proceso en la cifra que importa, con un ejemplo resuelto que puede adaptar.

Contexto rápido: por qué la capacidad de evaporación es la cifra de dimensionamiento

Casi toda la energía y la mayor parte del tamaño del equipo de un secador por atomización dependen de cuánta agua tiene que salir de las gotas. Eso determina el aporte de calor, el caudal de aire, el volumen de cámara necesario para el tiempo de residencia y el tamaño del ventilador y del sistema de recolección. Dos secadores con la misma altura de cámara pueden tener capacidades de eliminación de agua muy distintas según la temperatura y el caudal del gas.

Por eso las gamas de modelos se identifican por la evaporación. El secador por atomización a presión de SINOTHERMO va del YPG-50 con 50 kg/h al YPG-1000 con 1.000 kg/h, y el secador por atomización centrífugo va del LPG-25 con 25 kg/h a la gama LPG-200-2000 de 200 a 2.000 kg/h de agua.

Paso 1: defina lo que necesita

Reúna estos datos antes de calcular.

Elija T_in y T_out según los límites de su producto. Si no está seguro de cómo, lea antes la guía de temperaturas de entrada y salida en la atomización.

Paso 2: convierta la producción de polvo en alimentación y agua a evaporar

1. 1.Sólidos secos en el polvo: P × (1 − w_p) = 100 × (1 − 0,04) = 96 kg/h de sólidos.
2. 2.Caudal de alimentación necesario: sólidos ÷ fracción de sólidos de la alimentación = 96 ÷ 0,30 = 320 kg/h de alimentación.
3. 3.Agua que entra con la alimentación: 320 − 96 = 224 kg/h.
4. 4.Agua que queda en el polvo: 100 − 96 = 4 kg/h.
5. 5.Agua a evaporar: 224 − 4 = 220 kg/h.

Comprobación: alimentación 320 kg/h = polvo 100 kg/h + agua evaporada 220 kg/h. El balance cuadra.

Este es el resultado clave: esta tarea necesita un secador dimensionado para unos 220 kg/h de evaporación a sus temperaturas de operación, no un «secador de 100 kg/h».

Una consecuencia útil: el contenido de sólidos de la alimentación tiene un efecto enorme. Con 20 por ciento de sólidos, los mismos 96 kg/h de sólidos requieren 480 kg/h de alimentación y unos 380 kg/h de evaporación. Subir el contenido de sólidos de 20 a 30 por ciento reduce la carga de evaporación en más de un tercio, así que concentrar la alimentación antes de pulverizarla, por ejemplo por evaporación, ahorra tamaño de secador y energía, siempre que la alimentación siga siendo bombeable y pulverizable.

Paso 3: estime el calor necesario

El calor necesario tiene tres partes.

1. 1.Evaporación del agua. El calor latente del agua en condiciones de atomización es de aproximadamente 2.400 kJ/kg (unos 2.260 a 100 °C y más a temperaturas inferiores). Para 220 kg/h: 220 × 2.400 = 528.000 kJ/h, unos 147 kW.
2. 2.Calentamiento de la alimentación hasta la temperatura de secado. Suponga un calor específico de unos 3,5 kJ/kg·K para una alimentación con 30 por ciento de sólidos, calentada de 20 °C a unos 50 °C: 320 × 3,5 × 30 = 33.600 kJ/h, unos 9 kW.
3. 3.Calentamiento del polvo seco. 96 kg/h × 1,5 kJ/kg·K × unos 60 K = unos 8.600 kJ/h, unos 2,4 kW.

El calor útil es de unos 147 + 9 + 2,4 = unos 158 kW. Añada las pérdidas de calor de la cámara y los conductos. Una cifra del 10 al 15 por ciento es típica para una unidad aislada, pero debe confirmarse para su diseño, lo que da unos 180 kW que el gas debe ceder entre la entrada y la salida.

Paso 4: estime el caudal de aire

El gas cede calor al enfriarse de T_in a T_out. Con un calor específico de unos 1,05 kJ/kg·K para aire húmedo:

Caudal másico de aire = calor cedido ÷ (c_p × (T_in − T_out)) = (180 kW × 3.600 kJ/kW·h) ÷ (1,05 × (200 − 90)) = 648.000 ÷ 115,5 = unos 5.600 kg/h de aire seco.

Con una densidad ambiente de unos 1,2 kg/m³, eso son unos 4.700 m³/h en condiciones ambiente. El ventilador debe manejar un volumen mayor en las condiciones calientes de salida, por lo que el proveedor lo dimensionará para el volumen real de aire de escape.

Compruebe la humedad del escape: 220 kg/h de agua en 5.600 kg/h de aire añaden unos 0,04 kg de agua por kg de aire seco, muy por debajo de la saturación a 90 °C, de modo que el escape está lejos de condensar.

Paso 5: estime el tamaño del calentador

El calentador debe elevar el aire desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de entrada:

Potencia del calentador = caudal de aire × c_p × (T_in − T_a) = 5.600 × 1,006 × 180 ÷ 3.600 = unos 280 kW.

Es más que los 180 kW que usa la cámara, porque el aire de escape sale a 90 °C y se lleva calor. Esa es la razón por la que conviene considerar la recuperación de calor del escape a mayor escala.

Comprobación con datos publicados. El secador por atomización a presión de SINOTHERMO indica un calentamiento eléctrico de 75, 120 y 150 kW para los YPG-50, YPG-100 y YPG-150, es decir, unos 1,0 a 1,5 kW por kg/h de evaporación nominal. Nuestro ejemplo necesita 280 ÷ 220 = unos 1,3 kW por kg/h. Ambas cifras son del mismo orden de magnitud, que es el objetivo de la comprobación. Los datos del modelo también dependen de la temperatura de entrada, así que úselos solo como orientación.

Paso 6: elija un modelo, con margen

Necesita unos 220 kg/h de evaporación con 200 °C de entrada. De la gama de secadores por atomización a presión, el siguiente modelo con evaporación nominal suficiente es el YPG-300 (300 kg/h). Deje un margen de diseño para que el secador no esté a su valor máximo todos los días. Las cifras de evaporación de la página del producto son valores máximos y, para temperaturas de entrada inferiores a 200 °C, dependen de los requisitos reales del proceso. Cuánto margen conservar es una decisión de diseño que debe confirmar con el proveedor.

Si su alimentación es viscosa o abrasiva, o necesita un polvo más fino, la opción equivalente en la línea centrífuga es un modelo de la gama LPG-200-2000. Primero va la decisión del atomizador; consulte atomización en el secado por atomización.

Referencia rápida: qué cambia la respuesta

Para alimentaciones con disolvente, consulte la guía del secador por atomización de circuito cerrado.

Lo que el cálculo no le dice

Es una primera estimación. No incluye el tamaño de cámara necesario para el tiempo de residencia, que depende del tamaño de gota y de la velocidad de secado, ni la distribución de tamaño de partícula, ni la eficiencia de recolección del ciclón y del filtro de mangas, ni el comportamiento de una alimentación pegajosa. Eso proviene del diseño del proveedor y de los datos de ensayo.

Errores comunes que debe evitar

Confundir polvo, alimentación y agua. Confirme por escrito a qué cifra se refiere. La evaporación en kg/h de agua es la base estándar.

Escalar con el rendimiento de laboratorio. Los resultados de laboratorio no escalan de forma lineal. Use datos piloto.

Tomar la evaporación nominal al pie de la letra. Las cifras nominales son máximos en condiciones indicadas. Con menor temperatura de entrada o una alimentación difícil, la capacidad real es menor.

Ignorar la fuente de calor. Las opciones eléctrica, de vapor, de gas y de horno de aire caliente tienen costes de operación distintos. La potencia del calentador de su cálculo permite compararlas. Consulte la guía del coste de un secador por atomización y la guía de secadores por atomización.

Omitir el ensayo. Los sólidos de alimentación que realmente puede pulverizar y la temperatura de salida que tolera su polvo salen de los ensayos. Nuestro laboratorio de ensayos realiza ensayos piloto de pago y los datos alimentan directamente este cálculo.

Conclusión

Dimensione un secador por atomización a partir del agua que debe evaporar. Convierta la producción de polvo en evaporación mediante los sólidos de la alimentación, estime calor y caudal de aire a partir de sus temperaturas y elija un modelo con margen. El contenido de sólidos de la alimentación es la palanca que más cambia el resultado.

Siguiente paso: Solicite un ensayo piloto con su alimentación para confirmar los sólidos, la temperatura de salida y las propiedades del polvo. El ensayo piloto es un servicio de pago, y después podemos dimensionar una máquina de producción con datos medidos.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se dimensiona un secador por atomización?

Convierta la producción de polvo requerida en el agua que debe evaporarse, usando el contenido de sólidos de la alimentación y la humedad del polvo. Después estime el calor y el caudal de aire a partir de las temperaturas de entrada y salida, y seleccione un modelo por su capacidad de evaporación nominal con algo de margen.

¿Qué es la capacidad de evaporación?

Es la masa de agua que el secador puede eliminar por hora, en kg/h. Es la base de dimensionamiento estándar de los secadores por atomización porque determina el aporte de calor, el caudal de aire y el tamaño del equipo.

¿Cómo calculo el agua a evaporar?

El caudal de alimentación es igual a los sólidos secos divididos por la fracción de sólidos de la alimentación. El agua a evaporar es el caudal de alimentación menos la producción de polvo. Para 100 kg/h de polvo con 4 por ciento de humedad a partir de una alimentación con 30 por ciento de sólidos, son unos 220 kg/h.

¿Cuánto calor necesita un secador por atomización?

Aproximadamente 2.400 kJ por kilogramo de agua evaporada para el calor latente, más el calentamiento de la alimentación y del producto y las pérdidas. En el ejemplo, la potencia del calentador es de unos 280 kW para 220 kg/h de evaporación, o unos 1,3 kW por kg/h.

¿Importa el contenido de sólidos de la alimentación para el dimensionamiento?

Sí, muchísimo. Subir los sólidos de 20 a 30 por ciento reduce la carga de evaporación en más de un tercio para la misma producción de polvo, siempre que la alimentación pueda seguir bombeándose y atomizándose.

¿Es exacto el cálculo?

No. Es una primera estimación. El tiempo de residencia, el tamaño de partícula, la eficiencia de recolección y el comportamiento de la alimentación se confirman con el diseño del proveedor y un ensayo piloto.

¿Qué modelo de SINOTHERMO encaja con 220 kg/h de evaporación?

De la gama de secadores por atomización a presión, el YPG-300 con 300 kg/h de evaporación máxima, con margen. La gama centrífuga LPG-200-2000 también cubre este tamaño. La elección final depende del atomizador, de la alimentación y de la especificación del polvo.