I. Principio de funcionamiento del secado por aspersión
El secado por aspersión es un proceso en el que los atomizadores dispersan el líquido en finas gotas y el disolvente se evapora rápidamente en un medio de secado caliente para formar un polvo seco. Generalmente, el secado por aspersión consta de cuatro etapas: a) atomización del líquido; b) contacto y mezcla de la niebla con el medio de secado caliente; c) evaporación y secado de las gotas; d) separación del producto seco del medio de secado.
La materia prima líquida puede ser una solución, emulsión o suspensión, o puede ser un líquido fundido o una pasta (cualquier forma líquida que pueda bombearse). El producto puede ser polvo, gránulos, esferas huecas o aglomerados.
II. Secadores por aspersión comunes. Los secadores por aspersión utilizan un secador por aspersión para atomizar un líquido diluido (como una solución con un contenido de agua del 75%-85% o superior) en gotitas, dispersándolas en una corriente de aire caliente. Esto provoca la rápida evaporación de la humedad, dando como resultado un producto sólido. El tiempo de secado suele ser de tan solo unos segundos a decenas de segundos. El pulverizador es el componente clave del secado por aspersión, principalmente los pulverizadores centrífugos, de presión y de flujo de aire.
1. Secador por aspersión a presión. Un secador por aspersión a presión utiliza de 2 a 20 MPa para atomizar el líquido filtrado en pequeñas gotitas. Estas gotitas atomizadas (con una superficie significativamente mayor) entran en contacto total con el aire caliente, completando rápidamente el proceso de secado en 10 a 30 segundos. El polvo o los gránulos finos resultantes se separan.
2. Secador centrífugo por pulverización: El aire pasa a través de un filtro y un calentador, entrando al distribuidor de aire en la parte superior del secador centrífugo por pulverización. El aire caliente entra al secador de manera uniforme en espiral. El líquido de alimentación se bombea desde el tanque de alimentación a través de un filtro hasta el atomizador centrífugo en la parte superior del secador, donde se pulveriza en gotas extremadamente pequeñas. El líquido de alimentación y el aire caliente fluyen en paralelo, lo que provoca una rápida evaporación de la humedad y el secado del producto final en muy poco tiempo. El producto final se descarga por la parte inferior de la torre de secado y el separador ciclónico, mientras que los gases de escape se descargan mediante un ventilador.
3. Secador por pulverización de flujo de aire: Este tipo de secador utiliza principalmente la pulverización a alta velocidad de aire o vapor de agua desde boquillas. La fricción fuerza al líquido de alimentación a formar finas gotas, permitiendo que entre en contacto con el aire caliente para el intercambio de calor. Todo el proceso dura menos de medio minuto. Es muy eficaz para materiales de alta viscosidad y es fácil de operar.
III. Áreas de aplicación de los secadores por pulverización
1. Secado por pulverización para la granulación de cerámicas especiales
La formación del cuerpo verde antes de la sinterización de los materiales cerámicos afecta directamente al rendimiento del producto final. Las características del polvo influyen considerablemente en la uniformidad del cuerpo verde y en la densidad tras el prensado en seco. La tecnología de granulación por pulverización se utiliza ampliamente en la preparación de polvos cerámicos especiales. La pulverización a presión es el método más común para granular estos polvos. En condiciones de proceso adecuadas, el polvo obtenido presenta buena homogeneidad química, alta finura, buena fluidez y alta densidad de compactación, lo que lo hace idóneo para procesos de prensado en seco o prensado isostático.
2. Aplicación del secado por pulverización en el material catódico de fosfato de hierro y litio (LiFePO4) para baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio se componen principalmente de materiales catódicos, materiales anódicos, electrolitos y separadores. El coste y el rendimiento de los materiales catódicos limitan el desarrollo de las baterías de iones de litio; por lo tanto, la investigación y el desarrollo de estos materiales son cruciales para impulsar los avances tecnológicos en este campo. Actualmente, los principales materiales catódicos en China incluyen óxido de cobalto y litio, óxido de níquel y litio, fosfato de hierro y litio y materiales ternarios. Entre ellos, el fosfato de hierro y litio presenta ventajas como buena seguridad, larga vida útil, buena estabilidad térmica, amplia disponibilidad de materias primas y bajo precio, pero adolece de baja densidad aparente y baja conductividad a bajas temperaturas.
Proceso sencillo de preparación del material catódico de fosfato de hierro y litio/C: Se añaden LiOH y FePO4 a un molino de bolas con agua purificada. Tras la molienda, se añade una cantidad determinada de fuente de carbono. Después de 3 horas de molienda, la suspensión se retira y se seca por pulverización en un secador por pulverización. El secado por pulverización se realiza a temperaturas específicas de entrada y salida (entrada 200-250 °C, salida <100 °C). Tras el secado, el material se calcina primero a baja temperatura durante 2 horas en un horno de atmósfera controlada y luego a alta temperatura durante 6 horas para obtener el material catódico LiFePO4/C.
Los experimentos demuestran que el secado por aspersión confiere una buena esfericidad al material precursor antes de la sinterización, con un tamaño de partícula de 20-20 micrómetros. En condiciones de secado por aspersión, la composición química del material es relativamente uniforme. Durante la calcinación, no se produce cambio de fase sólida entre las partículas esféricas, y la producción de grano de LiFePO₄/C se limita a una sola partícula esférica, lo que produce pequeños granos de LiFePO₄/C. Estos granos finos mejoran las propiedades eléctricas del LiFePO₄/C.
3. El secado por aspersión de sílice precipitada (también conocida como negro de humo blanco) es una importante materia prima de refuerzo en la industria del caucho. Debido a que su microestructura y morfología de agregación son similares a las del negro de humo, y a que posee propiedades de refuerzo similares en el caucho, se le denomina negro de humo blanco. Existen dos métodos principales para producir sílice precipitada: el secado en fase gaseosa y el secado por precipitación. El secado en fase gaseosa produce productos de alta pureza y alto rendimiento, pero consume mucha energía, es técnicamente complejo y costoso. En contraste, el secado por precipitación es un método maduro, sencillo y rentable. Sin embargo, durante el proceso de secado y deshidratación, las partículas ultrafinas tienden a aglomerarse, lo que afecta su rendimiento. Los estudios han demostrado que el secado por aspersión puede producir sílice precipitada con una dispersión uniforme de partículas, una alta superficie específica y un alto valor de absorción de aceite, conforme a las curvas recomendadas de absorción de aceite y superficie específica, lo que la hace adecuada como agente de refuerzo para neumáticos de alto rendimiento y neumáticos de color.
4. Aplicación del secado por aspersión en preparaciones farmacéuticas
El secado desempeña un papel crucial en la producción farmacéutica, especialmente en la medicina tradicional china. Las preparaciones secadas por aspersión presentan las siguientes características:
a. Buena uniformidad del producto final: Durante el secado por aspersión, el líquido farmacéutico se pulveriza en una dispersión atomizada bajo agitación continua, logrando un secado instantáneo y, por lo tanto, una buena uniformidad.
b. Buena fluidez, suavidad y solubilidad del producto final: Durante el secado por aspersión, el agua se vaporiza rápidamente, lo que resulta en un tamaño de partícula pequeño, buena fluidez y una compresión suave. Esto también garantiza una dosificación más precisa durante el envasado fraccionado. Al entrar en contacto con el agua, penetra más fácilmente en el interior de las partículas, facilitando la disolución del fármaco.
c. Proceso de producción simplificado: El secado por aspersión permite la concentración y el secado en un solo paso, y el tiempo de secado es relativamente corto, lo que resulta beneficioso para mantener la eficacia de los fármacos termosensibles.
d. Producción limpia: El entorno de aspersión cerrado elimina la contaminación bacteriana del fármaco y reduce la contaminación por polvo en el taller.
Los productos de la medicina tradicional china requieren una alta higiene y, por lo tanto, suelen emplear múltiples purificadores de aire; por consiguiente, el secado por aspersión es muy adecuado para el proceso de secado en la fabricación de medicina tradicional china.
