UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA CURSO DE QUÍMICA INDUSTRIAL
Título: SECAGEM
Nomes: ADRIANA PEREIRA EVELLIN BRUZACA FLÁVIA MENEZES MICHELLE NOGUEIRA SANDIEGO FELIPE THIAGO BASTOS
São Luís 2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
Título:
SECAGEM
Trabalho apresentado como recurso avaliativo da disciplina de Operações Unitárias II, ministrada pelo Profº. Ulisses Nascimento.
São Luís 2015
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO..............................................................................................................5 2 CLASSIFICAÇÃO DOS SÓLIDOS ..............................................................................6 3 MECANISMOS DE SECAGEM ...................................................................................6 3.1 Velocidades de Secagem......................................................................................... 7 4 TEMPOS DE SECAGEM ..............................................................................................7 4.1 Período de velocidade de secagem constante ......................................................... 7 4.2 Período de velocidade de secagem decrescente ...................................................... 9 4.3 Cálculos dos tempos de secagem .......................................................................... 10 4.3.1 Período de velocidade constante .................................................................... 10 4.3.2 Período de velocidade decrescente ................................................................. 10 4.3.3 Tempo total de secagem ................................................................................. 10 5 MÉTODOS DE SECAGEM ........................................................................................11 5.1 Secagem por convecção........................................................................................ 11 5.2 Secagem por condução ......................................................................................... 11 5.3 Secagem por radiação ........................................................................................... 12 6 MÉTODOS DE CÁLCULO PARA O PERÍODO DE VELOCIDADE DE SECAGEM CONSTANTE .............................................................................................12 7 MÉTODOS DE CÁLCULO PARA O PERÍODO DE VELOCIDADE DE SECAGEM DECRESCENTE.........................................................................................14 8 EQUIPAMENTO DE SECAGEM ...............................................................................15 8.1 Classificação de Secadores ................................................................................... 15 8.2 Secadores para sólidos granulares e pastas ........................................................... 16 8.2.1 Secadores Rotatórios ...................................................................................... 17 8.2.2 Secadores à Gravidade ................................................................................... 18 8.2.3 Secadores Instantâneos................................................................................... 18 8.3 Secadores para soluções e suspensões .................................................................. 18 8.3.1 Secadores de Pulverização ............................................................................. 18 8.3.2 Secadores de Tambor ..................................................................................... 18 8.4 Outros secadores de contato indireto .................................................................... 19 8.4.1 Secador indireto.............................................................................................. 19 8.4.2 Secadores de forno rotativo de fogo indireto ................................................. 19 8.4.3 Secadores à Vácuo ......................................................................................... 20 8.4.4 Secadores por Infravermelho ......................................................................... 22 8.4.5 Secadores de Micro-ondas e Dielétrico.......................................................... 23 9 CONCLUSÃO .........................................................................................................24 REFERÊNCIAS ..............................................................................................................25
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1 INTRODUÇÃO A secagem está entre as operações mais usuais na indústria química. Em uma boa parte das situações é o último processamento do produto antes de sua classificação e embalagem. A qualidade do produto seco, a quantidade de energia gasta e o tempo utilizado neste processo são parâmetros primordiais para a rentabilidade do bem submetido a esta operação. Fatores como reduzir o custo de transporte, fazer um material se tornar mais adequado para o manuseio fazem com que esse processo seja efetuado com muita frequência nas indústrias. Em geral, entende-se por secagem a operação unitária destinada à remoção de um líquido agregado a um sólido para uma fase gasosa insaturada, esse líquido pode ser removido de sólidos mecanicamente através de prensas ou centrífugas e por vaporização térmica. O termo secagem se refere apenas a este último, a remoção mecânica de umidade é geralmente denominada desidratação mecânica. Da mesma maneira, a simples evaporação de uma solução, sem o auxílio de uma corrente de gás para arrastar a umidade não é considerada secagem.
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2 CLASSIFICAÇÃO DOS SÓLIDOS Quando transferência de calor e transferência de massa estão envolvidos nos processos de secagem, o mecanismo de secagem depende da natureza dos sólidos e do método de contato entre sólido e o gás. Existem três tipos de sólidos: cristalino, poroso e não poroso. As partículas cristalinas não contem nenhum líquido dentro e tem secagem somente na superfície do sólido. As partículas que possuem poros na superfície são classificadas como um sólido poroso. Os sólidos verdadeiramente porosos contém líquido no interior dos poros. Como sólidos não porosos podemos citar géis incluem como sabão, cola e argila plástica, sólidos densos, tais como madeira e couro, e muitos outros materiais poliméricos. Na classificação de sólidos em porosos e não porosos pode-se, também, ter os sólidos higroscópicos e não higroscópicos. Um sólido higroscópico e poroso é constituído por uma rede de capilares de pequeno diâmetro onde os efeitos de tensão superficial são por demais pronunciados. A secagem destes materiais é extremamente complexa. A madeira, lã, alumina e papel são exemplos típicos desta categoria. Um sólido higroscópico não poroso apresenta a umidade distribuída em seu interior com possibilidade de movimentação através de mecanismos de difusão, originados por diferenças de concentração de umidade no seu interior. Argila, sabão, gel de sílica, cola, são exemplos típicos desta categoria. Um sólido não higroscópico e poroso é constituído por uma rede de capilares de diâmetros tais que embora a movimentação da umidade se dê por capilaridade a pressão de vapor é praticamente a da água pura. Uma camada de areia, ou de caulim em leito são exemplos típicos destes materiais.
3 MECANISMOS DE SECAGEM Dois fenômenos ocorrem simultaneamente quando um sólido úmido é submetido a um processo de secagem: transferência de calor do ambiente para evaporar a umidade superficial (que depende de condições externas como temperatura, umidade do ar, fluxo e direção de ar, área de exposição do sólido e pressão) e transferência de umidade do interior para a superfície do material e sua subsequente evaporação devido ao primeiro processo (o movimento interno da umidade no material sólido é função da natureza física do sólido, sua temperatura e conteúdo de umidade). Esse processo manifesta-se sob um comportamento típico, que pode ser observado na curva de velocidade de
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secagem. Outra característica importante no mecanismo de secagem é ter conhecimento sobre a porosidade, higroscopicidade e porosidade do material a ser seco.
3.1 Velocidades de Secagem Em uma operação de secagem a umidade do sólido diminui com o tempo, pois o meio de secagem se encontra a uma temperatura superior à do sólido úmido e isso permite a existência de um fluxo de calor para o mesmo, provocando a vaporização da umidade. Ao se aquecer o sólido úmido, por um determinado período de tempo, a umidade diminui linearmente até sua vaporização e a partir de então assume um perfil constante. A velocidade de secagem assume um comportamento constante no início do processo, e com o passar do tempo decresce, e quando o material chega ao seu conteúdo de umidade de equilíbrio a velocidade de secagem torna-se nula. O conteúdo total de umidade e a velocidade de secagem podem ser representados por meio do gráfico a seguir.
Figura 1: gráficos típicos do conteúdo total de umidade e da velocidade de secagem em função do tempo de secagem 4 TEMPOS DE SECAGEM
4.1 Período de velocidade de secagem constante Este período é caracterizado pela independência da velocidade de secagem em relação ao conteúdo de umidade. Para os três tipos de sólidos, mostrados nos gráficos abaixo, existe uma faixa de umidade na qual a velocidade se secagem se mantém constante, representada pelo trecho AB.
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1 - Curva típica de velocidade de secagem para um sólido Higroscópico Não-Poroso. 2 - Curva típica de velocidade de secagem para um sólido Não-Higroscópico Poroso. 3 - Curva típica de velocidade de secagem para um sólido Higroscópico Poroso.
Durante o período de velocidade de secagem constante, o sólido está com uma umidade elevada, tal que um filme de água recobre toda a superfície de secagem e esta água atua como se o sólido não estivesse presente. O valor de umidade que marca o final do período de velocidade de secagem constante é denominado de umidade crítica e o ponto correspondente recebe o nome de ponto crítico, representado pelo ponto B nos gráficos acima. Este ponto assinala a situação em que a água superficial é insuficiente para manter um filme contínuo cobrindo a área de secagem. O conteúdo de umidade crítica varia com a espessura do material e com a velocidade de secagem. Se o conteúdo inicial de umidade do sólido for inferior ao conteúdo de umidade crítica, não existe o período de velocidade de secagem constante. A umidade a ser evaporada durante a secagem depende das características do sólido: se é não poroso ou poroso. Se o sólido não é poroso, a umidade evaporada é aquela presente na superfície do sólido. Se o sólido é poroso, com redes complexas de poros e canais interconectados, a umidade evaporada é aquela presente no interior do sólido. Se efeitos de radiação ou de transferência de calor por condução forem desprezíveis, a temperatura do sólido durante o período de velocidade constante será igual à temperatura úmida do ar. Durante o período de velocidade de secagem constante, a velocidade de secagem pode ser determinada por meio da seguinte equação:
Em que mv é velocidade de secagem, h y é o coeficiente de transmissão de calor (Btu/ ft2 -h-°F), A é a área de secagem, T é a temperatura do gás, T i é a temperatura da interface e
é o calor latente de vaporização na temperatura T . i
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Se o gás ou o ar de secagem fluem paralelamente às superfícies do sólido, o coeficiente de transmissão de calor pode ser determinado por meio da seguinte expressão:
Em que G é a velocidade mássica, dada em Ib/ft 2 - h. E se o ar e o gás fluem perpendicularmente às superfícies do sólido, h y pode ser calculado por:
4.2 Período de velocidade de secagem decrescente Logo após o ponto B nos gráficos mostrados no item anterior, tem início o período de velocidade de secagem decrescente. O formato da curva de velocidade de secagem no período de velocidade decrescente depende do tipo de material, da espessura do mesmo e das variáveis externas. A velocidade de secagem é controlada pelas condições internas ao sólido. Os mecanismos de secagem diferem para sólidos não porosos e porosos. Para sólidos não porosos a secagem se realiza por difusão e para sólidos porosos a secagem se realiza por capilaridade. No caso de sólidos higroscópicos não porosos, o calor fornecido pelo ar ou gás de secagem evapora primeiramente a umidade superficial e a movimentação da umidade dentro do sólido ocorre por meio da difusão, no sentido de regiões mais úmidas para regiões menos úmidas. A resistência à transferência de umidade para o ar é desprezível em relação à resistência de movimentação da umidade no interior do sólido. No caso de sólidos não-higroscópicos porosos, as forças capilares são tanto maiores quanto menores forem os raios dos capilares. Quando a água superficial for totalmente evaporada, os capilares de maior diâmetro esvaziam-se primeiro, pois perdem água para o meio de secagem e para os capilares de diâmetros menores, sendo a água substituída por ar. Com isso, a área disponível para troca de massa diminui. Assim, o primeiro trecho do período de velocidade decrescente é reto, já que a velocidade de secagem durante esse período depende dos mesmos fatores que atuam durante o período de velocidade de secagem decrescente. Este estado em que a água constitui a fase contínua e o ar a fase dispersa é denominado Estado funicular. Dando continuidade à secagem, atinge-se uma situação em que a água deixa de ser a fase contínua. Este fato é indicado pelo ponto C e a curva de velocidade a partir dele não é mais um trecho reto. O ponto C é denominado segundo ponto crítico. Esta
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situação em que a água deixa de ser uma fase contínua recebe o nome de Estado pendular.
4.3 Cálculos dos tempos de secagem Se um material é seco pela passagem de ar quente através de sua superfície que está inicialmente molhada, a curva de secagem, na sua forma mais simples é representado por BCE, mostrada abaixo:
Figura 2: curva de velocidade de secagem para estimar o tempo de secagem
4.3.1 Período de velocidade constante O tempo de secagem para o período de velocidade constante pode ser determinado por meio da seguinte equação:
Em que tc é o tempo de secagem para o período de velocidade constante, w 1 é o conteúdo de umidade inicial , w c é o conteúdo de umidade crítica e m v é a velocidade de secagem.
4.3.2 Período de velocidade decrescente
Em que tf é o tempo de secagem para o período de velocidade decrescente, m é a velocidade mássica, A é área de secagem, f c = wc - we , f = w – we e we é o conteúdo de umidade no equlíbrio.
4.3.3 Tempo total de secagem O tempo total de secagem é a soma dos tempos de secagem para os períodos de velocidade constante e decrescente, ou seja, t = t c + tf . Neste caso, a equação para o cálculo do tempo secagem para o período de velocidade constante assume a forma:
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Em que m é a velocidade mássica, A é a área de secagem e f c = wc - we. Somando essa nova equação com a referente ao período de velocidade decrescente, temse:
5 MÉTODOS DE SECAGEM 5.1 Secagem por convecção Neste tipo de secagem o calor sensível é transferido para o material sólido úmido por convecção. O ar de secagem aquecido passa sobre do sólido, evaporando a umidade. Com o objetivo de aumentar a eficiência térmica e a economia de energia, uma recirculação total ou parcial do ar ou gás de secagem pode ser utilizada no processo. As condições de secagem podem ser controladas pela temperatura e umidade do ar aquecido. Nas figuras abaixo estão representados os processos de secagem por convecção sem circulação e com circulação de ar.
Figura 3:
secagem por convecção sem circulação de
ar
Figura 4:
secagem por convecção com circulação de
ar
5.2 Secagem por condução Ideal para materiais muito finos ou muito úmidos. O calor é fornecido ao material úmido por contato de superfícies aquecidas, tais como bandejas, placas ou cilindros. A temperatura do material é maior do que na secagem por convecção e os coeficientes de transferência de calor do material para a superfície aquecida e da superfície aquecida para o ar aquecido governam o calor total transferido para o material.
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Figura 5: secagem por condução ou contato
5.3 Secagem por radiação A secagem por radiação é geralmente usada para materiais finos, tais como filmes, pinturas e coberturas. Radiadores de baixa temperatura e lâmpadas de quartzo de alta temperatura são geralmente empregados como fonte de radiação infravermelha. Na secagem por radiação, o transporte de umidade e a difusão de vapor do sólido seguem as mesmas leis que a secagem por condução e convecção.
Figura 6: secagem por radiação
6 MÉTODOS DE CÁLCULO PARA O PERÍODO DE VELOCIDADE DE SECAGEM CONSTANTE Exemplo 1: Um determinado material com 2 ft de lado e 0,167 ft de espessura será seco por ambos os lados com ar a uma temperatura úmida de 80°F e uma temperatura seca de 120 °F. O ar flui paralelamente pelas superfícies do material com uma velocidade de 2,5 ft/s. O peso específico do material seco é 120 Ib/ ft 3 . O conteúdo de umidade no equilíbrio é desprezível e o conteúdo de umidade crítica é 9%. A) Qual é a velocidade de secagem durante o período de velocidade constante? B) Quanto tempo é necessário para secar este material de um conteúdo inicial de umidade de 20% para um conteúdo final de umidade de 10%? Dados:
= 1049 Btu/Ib, G = 617 Ib/ ft - h.
Resposta letra A) do exemplo 1:
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Já que não há efeitos de radiação e transferência de calor por condução, a temperatura do sólido durante o período de velocidade constante será igual à temperatura úmida do ar, ou seja: Ti é igual a 80°F e T é igual a 120 °F. O coeficiente de transmissão de calor (h y) pode ser calculado por meio da seguinte fórmula, já que o ar flui paralelamente pelas superfícies do material:
Substituindo G por 617 Ib/ ft 2 – h, obtém-se:
O cálculo seguinte é o da área de secagem, visto que o problema fornece o lado e a espessura:
Para encontrar a velocidade de secagem m v, basta substituir os valores de h y, A, Ti, T e
na seguinte equação:
Resposta letra B) do exemplo 1:
e Cálculo da massa de sólidos secos: , onde é o peso específico do material Cálculo do volume:
seco fornecido no problema e igual a 120 Ib/ ft 3. Substituindo este valor e o valor do volume encontrado obtém-se:
Cálculo do tempo de secagem para o período de velocidade de secagem constante:
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7 MÉTODOS DE CÁLCULO PARA O PERÍODO DE VELOCIDADE DE SECAGEM DECRESCENTE Exemplo 2: Um sólido molhado é secado de 25% para 10% de umidade, sob condições constantes de secagem em 4.17 h. Se o conteúdo de umidade crítica e o conteúdo de umidade no equilíbrio são 15% e 5%, respectivamente, quanto tempo levará para secar o sólido de 30% para 8% de umidade nessas mesmas condições? Resposta do exemplo 2: Pode-se dividir o problema em duas etapas de secagem, a primeira de 25% para 10% de umidade e a segunda de 30% para 8% de umidade.
Primeira etapa de secagem: 25% para 10% de umidade em 4,17h
w1 = 0,25 kg/kg ,w =0,10 kg/kg ,w c = 0,15 kg/kg , we =0,05 kg/kg f 1 = w1 – we = 0,25 - 0,05 e f 1 = 0,2 kg/kg f c = wc - we = 0,15 - 0,05 e f c = 0,1 kg/kg f = w - we = 0,10 – 0,05 e f = 0,05 kg/kg De posse desses valores, o cálculo de mA torna-se necessário, visto que o problema não fornece dados relativos à área e nem à velocidade mássica. mA pode ser calculado por meio da seguinte equação:
, ou Substituindo os valores de f 1, f c, f e inclusive o valor de t, que é igual a 4,17h, obtém-se:
Segunda etapa de secagem: 30% para 8% de umidade
w1 = 0,30 kg/kg ,w =0,08 kg/kg ,w c = 0,15 kg/kg , we =0,05 kg/kg f 1 = w1 – we = 0,30 - 0,05 e f 1 = 0,25 kg/kg
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f c = wc - we = 0,15 - 0,05 e f c = 0,1 kg/kg f = w - we = 0,08 – 0,05 e f = 0,03 kg/kg De posse desses valores e do valor de mA encontrado na primeira etapa de secagem, pode-se calcular o tempo total de secagem substituindo tais valores em:
8 EQUIPAMENTO DE SECAGEM Existem vários tipos comerciais de secadores e cada um atende às diferentes necessidades de processo, que, em geral estão intrinsecamente vinculadas ao produto. O conhecimento das propriedades do material a ser seco é a primeira exigência para a escolha de um secador, além dos custos de operação e investimento. Tabela 1: Critérios para a classificação de secadores
8.1 Classificação de Secadores Devido à grande variedade de modelos de secadores, torna-se tarefa complicada classificá-los, porém pode-se classificá-los segundo vários critérios, tais como a forma
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de secagem, o método de transferência de calor para os sólidos úmidos e pelas características de condução e as propriedades físicas do material molhado.
Forma de secagem
Transportadora
Tambor
Flash
Leito Fluido
Rotatório
Spray
Bandeja
Aspiração
O método de transferência de calor para os sólidos úmidos
Secadores diretos
Secadores indiretos
Secadores diversos
Características de condução e as propriedades físicas do material molhado
Secadores descontínuos ou lotes
Secadores contínuos
Secadores para sólidos granulares e pastas
Secadores para soluções e suspensões
8.2 Secadores para sólidos granulares e pastas São ideais para a secagem de materiais granulados de escoamento livre, sendo bastante empregados na secagem de sais, fertilizantes e areia. Podem ainda ser adaptados, com o uso de etapas preparatórias de material, para a secagem de pastas, lamas e soluções, aumentando sua alternativa de uso. No caso dos materiais particulados, em que há dificuldade de retê-los numa tela metálica ou numa esteira transportadora com chapas perfuradas, a secagem pode ser realizada fazendo o material cascatear através da corrente de gás, como se faz no
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secador rotatório; impelir o mesmo em contracorrente ao gás numa unidade de disposição colunar, o que se observa no secador à gravidade; ou ainda soprá-lo juntamente com a corrente de gás, conforme o secador instantâneo ou flash.
8.2.1 Secadores Rotatórios No secador rotatório, os sólidos são derrubados numa corrente contínua, na região do eixo do tambor rotatório, enquanto o ar é injetado através da cascata de grãos. O sólido é elevado por peças suspensórias internas que controlam o cascatear através da corrente de ar. O secador é muitas vezes inclinado, de modo que os sólidos avançam gradualmente desde o bocal de alimentação até o bocal de saída. Utilizam-se gases de combustão, vapor superaquecido ou ar aquecido eletricamente como meio secante. A elevada taxa de secagem é uma vantagem quando se pode manter o ar não saturado; o que requer uma grande vazão de ar ou este deve ser aquecido à medida que passa pelo secador.
Figura 7: secador rotário
Estes secadores são construídos em grandes dimensões (comprimento e diâmetro), mas para o seu projeto é necessário estimar o tempo de retenção dos sólidos que passam pelo secador. O tempo de retenção, por sua vez, depende da densidade e do ângulo de repouso do sólido, da disposição dos suspensores no secador, da inclinação do secador e da massa do material presente no secador. Estes equipamentos são aplicados à secagem de grãos, soja, milho, sólidos biológicos e lama, por exemplo. A secagem descontínua de sólidos particulados pode ser realizada em secadores rotatórios cônicos, nos quais os sólidos também cascateiam através do meio secante, operam frequentemente sob vácuo, e podem dispor de tubos internos aquecidos. São vantajosos quando se deseja secar materiais termo-sensíveis ou quando se deseja ter o confinamento integral do vapor.
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8.2.2 Secadores à Gravidade Utilizados para secar sólidos particulados. Este tipo de equipamento possui chapas aquecidas e é especialmente útil quando o empoeiramento é um problema ou quando se deseja dispor de regiões de temperatura variável. Cada tabuleiro apresenta uma camisa de aquecimento, de modo que o material pode ser aquecido ao passar por algumas chapas e arrefecido ao passar por outras. O meio secante pode ser o ar, um gás inerte, um gás de combustão a pressão atmosférica ou em pressão menor.
8.2.3 Secadores Instantâneos A secagem instantânea, ou flash, é caracterizada pela injeção dos sólidos particulados numa corrente móvel de gás quente. A uma certa distância os sólidos são separados do gás, usualmente num ciclone coletor. Utiliza-se este mecanismo de secagem quando se deseja secar parcialmente uma pasta ou uma massa úmida usando-se um tempo de contato muito curto.
8.3 Secadores para soluções e suspensões Alguns secadores evaporam completamente soluções e suspensões por meios térmicos. Exemplos típicos são os secadores de pulverização, a secagem da película fina e os secadores de tambor.
8.3.1 Secadores de Pulverização Uma maneira prática de evaporar água de uma solução ou de uma suspensão de partículas sólidas consiste em pulverizar a mistura para um recipiente através do qual se faz passar uma corrente de gases quentes. Obtém-se, assim, uma grande área interfacial e, consequentemente, uma elevada velocidade de evaporação. A temperatura das gotas permanece abaixo da temperatura de bulbo úmido do gás que faz a secagem até esta estar quase completa e o processo proporciona, deste modo, uma maneira prática de secar uma variedade enorme de substâncias que possam deteriorar-se a temperaturas elevadas, como leite, café, detergentes, corantes, pesticidas, polímeros, suspensões cerâmicas, plasma de sangue, enzimas, penicilina, amido, alumina, concentrados metálicos, etc. A qualidade de funcionamento de um secador por pulverização depende do tamanho da gota produzida pelo atomizador e da maneira como o meio gasoso se mistura com as gotas.
8.3.2 Secadores de Tambor O secador de tambor consiste num rolo metálico rotativo aquecido internamente a vapor. Neste secador o material a secar é alimentado ao secador na superfície externa do tambor, na forma de camada fina. Os sólidos secos são raspados com uma lâmina.
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Este tipo de secador é adequado para materiais na forma de pastas, suspensões e soluções. Alguns exemplos de aplicação vão desde a secagem e formação de flocos de cereais, flocos de batata, leveduras, produtos lácteos e detergentes. Os secadores de tambor duplo são eficazes em soluções diluídas, soluções concentradas de materiais solúveis em água, bem como suspensões de partículas relativamente finas. E já não são adequados para soluções com baixo teor de sal ou suspensões de baixa solubilidade e sólidos abrasivos que se fixam e criam uma pressão excessiva entre os tambores.
8.4 Outros secadores de contato indireto 8.4.1 Secador indireto Secador indireto, também chamado de secador de transferência indireta de calor, secador rotativo ou máquina de secar, é utilizado para materiais de secagem com umidade ou granulosidade. A fonte de calor utilizada por esses tipos de secadores é dada por outros meios que não seja o calor fornecido por um gás de secagem, e sim por meio de condução, radiação, campo elétrico de alta frequência e micro-ondas. É formada por corpo giratório, elevação da lâmina, condução de dispositivo, dispositivo de apoio e vedação. Os secadores indiretos têm muitas vantagens como estrutura razoável, alta eficiência, baixo consumo de energia e é conveniente para o transporte. Ele pode ser usado para a secagem de vários tipos de materiais. Este tipo de equipamento é usado principalmente nas indústrias como materiais de construção, metalurgia, fábrica de cimento para a secagem de escória de pedra de calcária, pó de carvão, escória, pedra, argila. Com a sua operação conveniente e confiável, tem sido amplamente utilizado.
8.4.2 Secadores de forno rotativo de fogo indireto Os sistemas de fogo indireto são usados para evitar que o material a ser seco entre em contato com os gases de combustão ou outro meio de secagem. O forno rotativo de fogo indireto tem uma armação de aço-liga, cercada por um forno com revestimento refratário. O material move-se pela armação de aço, que é esquentado pela combustão de gases no forno. O calor é transferido principalmente por radiação. Este arranjo torna possível secar e processar materiais muito finos porque a velocidade do gás dentro da armação de aço é muito baixa, criada somente pela umidade evaporada do material alimentado. Secadores rotativos são armações cilíndricas ligeiramente inclinadas, suportadas por 2 anéis de rolamento que se movimentam num conjunto de roletes. O forno tem
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uma vedação em ambos os lados para prevenir vazamentos de ar e material para dentro ou para fora. Os secadores rotativos são ideais para secagem de muitos tipos de materiais, já que trabalha processando materiais de vários tamanhos e composições. Como o fogo é isolado do material, o calor vem de forma indireta. Outra vantagem é a habilidade de controlar a atmosfera interna. Isso funciona bem quando um ambiente inerte é necessário. Aplicação dos secadores rotativos:
Indústria de alimentos, química, petroquímica e farmacêutica;
Processamento de minerais, processos industriais.
Principais benefícios dos sistemas:
Isolamento do produto
Habilidade para controlar a atmosfera de secagem
Anos de experiência com todos os tipos de secadores
Capacidade de instalação em qualquer lugar do mundo
Alto entendimento das condições dos processos
Engenharia local para aplicações customizadas
Figura 8: secador de forno rotativo de fogo indireto
8.4.3 Secadores à Vácuo O secador a vácuo de placas é provavelmente o equipamento a vácuo mais simples e opera de forma descontínua. Em uma câmara, dispõem-se de placas ocas horizontais e paralelas, aquecidas internamente pela circulação de água quente ou vapor d’água, sobre as quais o alimento é estendido em camadas uniformes e finas. É adequado tanto para alimentos líquidos como sólidos. No secador à vácuo de esteira rolante, os alimentos líquidos ou papas são acomodados em esteira transportadora contínua de aço inoxidável. Essa esteira, situada no interior da câmara de vácuo, desloca-se sobre dois tambores: um de aquecimento e o outro de resfriamento. O tambor quente e os elementos aquecedores radiantes, situados acima e abaixo da esteira rolante, proporcionam o calor necessário para a operação.
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O produto resfria ao passar pelo tambor de resfriamento, antes de ser separado da esteira com a faca. A principal aplicação desses equipamentos é a desidratação de alimentos muito sensíveis ao calor, como sucos de frutas, tomate concentrado e extratos de café. Os produtos assim tratados, em especial os líquidos, têm estrutura esponjosa, porque se expandem ao se aplicar vácuo na câmara pela liberação de gases e vapores. Essa estrutura porosa favorece rápida velocidade de secagem e posterior reidratarão. Se a meta é que o produto final seja muito poroso, pode-se injetar previamente nitrogênio gasoso; ao aplicar vácuo, o gás se expande e sai rapidamente do produto, aumentando sua esponjosidade. Ao contrário de um secador de calor direto, em que o material é imerso diretamente na zona de aquecimento (geralmente um fluxo de vapor) e é seco por convecção, um secador de vácuo é um secador de calor indireto. Ou seja, o calor é transferido para o material, através das superfícies contatos aquecida do secador, secagem do material é realizada por condução e radiação. Compreender essa distinção é essencial para compreender as vantagens e limitações de secagem a vácuo. Neste caso de secagem, o vácuo oferece uma vantagem única. Ao controlar a pressão atmosférica, o secador de vácuo aumenta o ΔT eficaz para um determinado processo. Ou seja, a secagem a vácuo simplesmente reduz o ponto de ebulição ou a temperatura de vaporização necessária para a remoção do líquido. Ao controlar a pressão e o calor introduzido para o secador, aumenta-se significativamente o ΔT eficaz e, assim, seca -se o material muito mais rapidamente do que na atmosfera normal. Por esta razão, um secador de vácuo é especialmente adequado para secagem de um material termo-sensível, que degrada acima de uma determinada temperatura e, de outro modo requerem um longo ciclo de secagem. Exemplos desses materiais são as vitaminas, compostos de cor, compostos aromáticos, etc.
Figura 9: secador à vácuo
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8.4.4 Secadores por Infravermelho O processamento de alimentos por infravermelho é um processo radioativo, ou seja, neste processo a energia é transportada na forma de ondas eletromagnéticas, com um comprimento entre 0,78 e 1000 µm. Os principais componentes alimentícios são capazes de interagir com esta faixa de comprimento de onda resultando em um fenômeno complexo que tem como consequência o aquecimento do alimento. Na secagem por infravermelho, os sólidos a serem secos em geral absorvem a radiação em uma estreita camada na superfície. Em função disso, para ser bem sucedida, uma secagem por IV deve levar em consideração as propriedades do material. Propriedades como emissividade, absortividade refletividade efetiva e transmissividade são de extrema importância e decisivas para o sucesso desta tecnologia. A secagem por infravermelho oferece alta eficiência de conversão da energia elétrica em calor (média de 80% de eficiência). Ela ainda é simples, barata e fácil de controlar. Os secadores por IV são normalmente projetados para serem integrados aos secadores convencionais (secadores de ar quente) onde emissores de IV são direcionados para o produto a ser seco. O projeto do secador deve levar em conta as propriedades do produto, a eficiência energética da conversão de energia elétrica em IV, a cavidade deve ser equipada com refletores e circulação de ar para que a umidade seja removida e para garantir que não haverá perda de energia. Nos secadores de infravermelho contínuos, o alimento pode ser transportado em esteira contínua ou suporte vibratório, que o faz passar por uma fonte de infravermelhos. Para alimentos sensíveis ao calor, empregam-se fontes que emitam onda curta, enquanto, para os menos sensíveis, utilizam-se os de onda longa. A secagem de produtos sólidos, como fatias de pão, chá, especiarias e amêndoas são sua principal aplicação.
Figura 10: secador por infravermelho
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8.4.5 Secadores de Micro-ondas e Dielétrico Os secadores micro-ondas e dielétricos empregam energia eletromagnética em determinado nível de frequência. Tem a vantagem de que essa energia é absorvida seletivamente pelas porções úmidas do alimento, enquanto as partes já secas praticamente não se aquecem. Ou seja, a deterioração térmica do produto é mínima. Porém, o gasto energético necessário para a eliminação de grande quantidade de água nesse tipo de equipamentos é elevado. Por isso, são utilizados fundamentalmente para finalizar e acelerar a desidratação quando a velocidade de secagem se reduz nos sistemas convencionais. O aquecimento dielétrico tem sido aplicado para secar bolachas e outros produtos derivados de cereais, enquanto o aquecimento com micro-ondas é empregado comercialmente com êxito para a secagem de massas.
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9 CONCLUSÃO A secagem dos sólidos é, portanto, uma operação muito complexa, pois envolve a interação gás-líquido, que é controlada por fenômenos de transferência de calor e de massa em estado transiente. A secagem tem a finalidade de eliminar um líquido volátil contido num corpo não volátil, através de evaporação, portanto, é a operação na qual a atividade de água de um material úmido é diminuída pela remoção da água, através de sua vaporização. O tipo de secagem a ser utilizado depende, dentre outros fatores, do produto a ser desidratado, da sua constituição química e das características físicas do produto final desejado.
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REFERÊNCIAS FOUST, A.S., et al. Princípios das Operações Unitárias. 2ª Ed, Rio de Janeiro, Ed. Guanabara Dois, 1982. LINDEMANN, C.; SCHMIDT, V.W.; Relatório de Laboratório de Operações Unitárias: Secagem em leite de jorro,
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