UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI
Laboratório Laboratório de Engenharia de Bioprocessos II
Secador de Bandejas
Camila Benini Silva Fernanda Lorena G.B. Mares Gabriela Silveira dos Santos Mário Sérgio Lorenço
Ouro Branco, Abril de 2015
CAMILA BENINI SILVA, FERNANDA LORENA G. B. MARES, GABRIELA SILVEIRA DOS SANTOS, MÁRIO SÉRGIO LORENÇO
Secador de Bandejas
Relatório apresentado ao curso de Engenharia de Bioprocessos na disciplina Laboratório
de
Engenharia
de
Bioprocessos II sob responsabilidade dos professores Boutros Sarrouh e Ênio de Oliveira.
Ouro Branco, Abril de 2015
1. INTRODUÇÃO A secagem é a operação de remoção de água, ou de qualquer outro líquido de um material pela evaporação ! A técnica constitui no aumento da temperatura do ar que diminui a sua umidade e o torna capaz de absorver a umidade disponível em outros corpos. O teor de umidade do material acompanhará a diminuição de umidade do ar quando são submetidos a uma corrente de ar (quente), tendendo ao equilíbrio higroscópico [1]. O processo de secagem utiliza ar quente para a transferência de calor para o alimento e consequentemente a vaporização da água contida alimento ocorre. A capacidade do ar de eliminar a água de um alimento depende, principalmente, de sua temperatura e de sua umidade relativa e a secagem pode ocorrer à pressão atmosférica ou à pressão reduzida em equipamentos conhecidos como secadores a vácuo. A psicometria é o estudo que avalia as relações existentes entre ar e vapor de água [2]. Duas temperaturas são definidas para o ar: temperatura de bulbo seco e temperatura de bulbo úmido. O ar seco é composto por uma mistura de nitrogênio, oxigênio e outros gases em menor concentração. Essa mistura se mantém homogênea na fase gasosa para uma grande faixa de temperaturas e pressões, para as quais há habitabilidade no planeta. O ar úmido é aquele que além da mistura anterior apresenta vapor d'água, que facilmente pode saturar dentro da faixa de temperaturas ambiente, e consequentemente condensar. A temperatura do bulbo seco é a temperatura do ar medida por um termômetro de bulbo e a temperatura do bulbo úmido é o vapor de água está em equilíbrio com a água líquida, temperatura na qual esse equilíbrio se estabelece [2, 3]. Há uma quantidade máxima de vapor d’água que o ar pode conter em determinada temperatura, essa é chamada de umidade relativa (UR) a qual é definida como a razão entre a pressão parcial do vapor d`água e sua pressão de saturação sobre uma superfície com água líquida, calculada para a mesma temperatura do gás. Outra forma de umidade existente é a umidade absoluta (UA), expressa, pela razão entre a massa de vapor d'água pelo volume unitário de mistura de ar, dado em gramas de vapor por metro cúbico de ar (g/m ). A umidade relativa do ar é a quantidade de água contida !
no ar em relação à que ele poderia conter se estivesse saturado [1, 4].
No diagrama psicrométrico (Figura 1), relacionam-se temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, umidade absoluta e umidade relativa do ar a uma pressão de 101,325 kPa. A análise psicrométrica é utilizada para o dimensionamento de sistemas, o diagrama psicrométrico relaciona temperatura, humidade, densidade e entalpia; permitindo analisar a variação de energia envolvida na mudança das características físicas do ar úmido [1] !
Figura 1. Carta psicrométrica com pressão atmosférica de 101,325kPa.
Quando uma etapa de secagem faz-se necessária, deve escolher um secador adequado que se integre no processo como um todo. O modelo mais simples de secador é o secador de bandeja, utilizado para operações descontínuas, de pequena escala, e secagem de substâncias granulares ou para peças separadas. Esse equipamento consiste basicamente de uma câmara com isolamento térmico, com sistemas de aquecimento e ventilação do ar onde o material a ser seco é colocado em bandejas ou tabuleiros, as quais podem ter o fundo inteiriço, com ar circulando entre o topo de uma e o fundo da que fica em cima, ou podem ter o fundo telado circulante sobre as bandejas e através das bandejas, que ficam em uma base fixa. O ar aquecido circula por meio de ventiladores e o sistema permite uma circulação de ar para conservação do calor e o controle da temperatura é feito por meio de um termostato [5]
O secador de bandeja também pode ser encontrado com operação à vácuo, o que possibilita a utilização de temperaturas mais baixas para a secagem de produtos termosensíveis ou facilmente oxidados com o calor. As operações de secagem são controladas com simplicidade e modificam-se facilmente, de modo que o secador é especialmente apropriado para operações de laboratório ou para a secagem de materiais que exigem modificações das condições de secagem à medida que o processo avança [5].
!"
OBJETIVOS 2.1. Objetivos Gerais Acompanhar experimentalmente o processo de secagem de duas amostras em
secador de bandejas, utilizando o algodão como matéria prima. Sendo que uma das amostras apresenta ambas as faces livres para secagem e a outra amostra somente uma face.
2.2. Objetivos específicos •
Determinar dados da cinética de secagem;
•
Construir as curvas de secagem.
3. MATERIAIS E MÉTODOS Inicialmente foi medido com o auxilio de uma régua, a área de secagem, região contato do algodão e o ar, das duas amostras. Em seguida, pesou-se a massa seca de cada uma. O algodão foi colocado em espaço reservado na bandeja de acrílico móvel (do aparato experimental) e pesaram-se as duas massas do conjunto. Em seguida, com uma pipeta, umedeceu-se cada uma com 10mL de água e pesou-se novamente. O aparato experimental é composto estruturalmente por um soprador de rotação variável, resistência elétrica, termômetros de bulbos secos e úmidos antes e depois da resistência elétrica, bandejas móveis de acrílico com áreas de contato diferentes e estrutura tubular que sustenta as bandejas (por onde flui o ar). Colocaram-se as bandejas com as amostras no aparato, ligou-se o soprador e a resistência. Analisaram-se as temperaturas nos termômetros de bulbo seco e úmido antes da resistência. E também dos termômetros (bulbo seco e úmido) depois da resistência. No final da estrutura tubular, que sustenta as bandejas, mediram-se em cinco pontos da estrutura a velocidade do ar de secagem utilizaram-se um anemômetro
(calculou-se a média dessas cinco velocidades). Mediram-se a área do duto onde desloca o fluido, e a partir desta calculou-se a vazão do ar de secagem. Ocorreram-se sucessivas medições das massas das bandejas a cada período de 5 minutos.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para a obtenção da cinética de secagem alguns dados foram medidos. Os dados podem ser observador na tabela 1.
Tabela 1- Dados necessários para a obtenção das curvas de secagem. Dados necessários Temperatura de bulbo seco (antes da resistência) Temperatura de bulbo úmido (antes da resistência) Temperatura de bulbo seco (depois da resistência) Temperatura de bulbo úmido (depois da resistência)
Valores obtidos 23ºC 21,5ºC 33ºC 32,5ºC
Velocidade do ar de secagem
7,28 m/s
Vazão do ar de secagem
0,16 m /s
Área do duto onde se coloca a amostra
0,225 m
Massa seca de algodão
Face única = 5,38g Dupla face = 4,37g
Massa da bandeja de uma face
516,41 g
Massa da bandeja de duas faces
458,59 g
Áreas de contato do algodão e o ar Pressão atmosférica em Ouro Branco - MG
Face única = 0,015 m 2 Dupla Face =0,03 m 2 0,8814 atm = 89.310Pa
Após a coleta dos dados, iniciou-se o processo de secagem. Com os dados obtidos na prática calculou-se a umidade do sólido (X) e a taxa de secagem (R) de acordo com as equações abaixo. Os resultados obtidos são mostrados na tabela 2 e 3.
! "
$%&&% '( &)*+'( ,$+'( - $%&&% '( &)*+'( &./( $%&&% '( &)*+'( &./(
0"
$%&&% '. 123% .4%5(6%'% 78 9 16.%
Para o cálculo da taxa de secagem é necessário o conhecimento das áreas dos algodões utilizados. As áreas foram: 0,015 m 2 para a bandeja face única e 0,03 m 2 para a bandeja de duas faces.
Tabela 2 – Cinética de secagem para a bandeja de face única. Tempo (min.)
X
Quantidade
Massa úmida
(g de água
de água
R
(g)
evaporada/ g de
evaporada
(g/min.m2)
massa seca)
(g)
0
14,32
1,66
0
0,00
5
12,92
1,40
1,4
18,67
10
11,63
1,16
2,69
17,93
15
10,34
0,92
3,98
17,69
20
9,1
0,69
5,22
17,40
25
7,76
0,44
6,56
17,49
30
6,32
0,17
8
17,78
35
5,28
0
9,04
17,22
40
4,66
0
9,66
16,10
45
4,41
0
9,91
14,68
50
4,09
0
10,23
13,64
55
4,03
0
10,29
12,47
60
3,94
0
10,38
11,53
A partir desses dados obtidos na tabela 2 observou-se que a secagem da amostra da bandeja de face única ocorreu em aproximadamente em 50 minutos. Nos primeiros 5 minutos é o período que apresenta a maior taxa de secagem. Porque quando comparado com a curva de cinética de secagem (figura 2) este trecho corresponde ao ‘Período 0’ que é o período de se entrar em regime operacional. Ocorrendo elevação da temperatura da amostra, ocasionando aumento da pressão e da velocidade de secagem. No período de 10 a 35 minutos ocorreu uma taxa de secagem aproximadamente constante. Devido a isso, relaciona-se este trecho ao ‘Período 1’ (gráfico de cinética de secagem). Neste momento a secagem ocorre como que se fosse de agua pura evaporando. Este momento de secagem constante dura ate que a agua provida à superfície seja tão rápida quanto a evaporada. O momento seguinte (35 a 60 minutos) é o período de taxa decrescente de secagem (‘Período 2’). Neste, a água fornecida a superfície diminui e progressivamente reduz a pressão parcial de vapor da água na superfície até que a amostra entre em equilíbrio com o ar.
Figura 2. Curva padrões de secagem de amostra para comparação dos resultados obtidos.
Nota-se na tabela 2 que devido a umidade existente no algodão antes do inicio da pratica a quantidade total de água evaporada foi superior a adicionada. Os valores de
de umidade a partir do minuto 35 foram zeradas por apresentarem valores negativos.. A partir desses dados construíram-se os seguintes gráficos (figuras 3 e 4).
Figura 3: Gráfico da umidade em função do tempo para a bandeja face única. Observando-se esse gráfico de curva típica de secagem pode-se dizer no inicio do processo a temperatura do algodão é menor que a temperatura do ar aquecido e o calor que é transferido para ele é maior do que o retirado na evaporação. No período de 10 a 35 minutos, aproximadamente, pode-se dizer que é o período de taxa constante (citado anteriormente) e a temperatura do algodão é igual a do ar aquecido, possui velocidade de secagem inalterada e o calor é transferido para a superfície de secagem do algodão praticamente por convecção. Após este período começa a taxa decrescente de secagem, que ocorre quando a umidade da amostra atinge o valor de umidade critica. No momento mais próximo ao final do processo é a zona em que o fluxo interno de água controla a secagem.
Figura 4: Gráfico da taxa de secagem em função da umidade para a bandeja face única. A figura acima coincide com uma clássica curva de secagem de amostra. Onde no inicio representa o inicio do processo, que ocorre equilíbrio da temperatura do algodão com o ar aquecido. Em seguida, de 1,4 a 0 (gramas de água evaporada/ gramas de massa seca) é o período de taxa de secagem constante. E por fim, é o momento de secagem decrescente ate que se atinja a umidade critica.
Tabela 3 – Cinética de secagem para a bandeja de face dupla. Tempo (min.)
X
Quantidade
Massa úmida
(g de água
de água
R
(g)
evaporada/ g
evaporada
(g/min.m2)
de massa seca)
(g)
0
15,36
2,51
0
0,000
5
14,3
2,27
1,06
0,707
10
13,2
2,02
2,16
0,720
15
12,15
1,78
3,21
0,713
20
10,85
1,48
4,51
0,752
25
10,08
1,31
5,28
0,704
30
8,81
1,02
6,55
0,728
35
7,97
0,82
7,39
0,704
40
6,96
0,59
8,4
0,700
45
6,08
0,39
9,28
0,687
50
5,47
0,25
9,89
0,659
55
5,19
0,19
10,17
0,616
60
4,64
0,06
10,72
0,596
Já com a análise dos dados obtidos através da tabela 3, pode ser observado que a secagem da amostra da bandeja de face dupla ocorreu aproximadamente em 52 minutos. Ressaltando que nos primeiros 5 minutos foi o período que apresentou a maior taxa de secagem. A taxa de secagem ocorreu praticamente constante no tempo de 10 a 30 minutos. E o momento seguinte, 30 a 60 minutos, foi o período de taxa decrescente de secagem, onde pressão parcial de vapor da água na superfície da amostra entra em equilíbrio com
o ar. Os valores de massa úmida se reduzem devido o processo de secagem ser eficiente. A partir desses dados construíram-se os seguintes gráficos (figura 5 e 6).
Figura 5: Gráfico da umidade em função do tempo para a bandeja face dupla . Através da análise do gráfico acima pode-se observar que a partir do tempo de 30 minutos a taxa de secagem começa a decrescer, ocorre quando a umidade da amostra atinge o valor de umidade crítica. Evidencia o fato do processo de secagem para bandeja face dupla ser mais eficiente do que o de face única.
Figura 6: Gráfico da taxa de secagem em função da umidade para a bandeja face dupla. Como também discutido no gráfico da taxa de secagem em função da umidade para a bandeja face única (figura 4), a curva acima de secagem (figura 6) apresentou um perfil próximo ao esperado pelas curvas tradicionais de secagem. No início do processo ocorre equilíbrio da temperatura do algodão com o ar aquecido. Em seguida no período de 2,25 a 0 (gramas de água evaporada/ gramas de massa seca) é o período de taxa de secagem constante. E por fim, ocorre o momento de secagem decrescente ate que se atingindo a umidade critica. É possível utilizar ainda outro parâmetro para se correlacionar empiricamente os resultados obtidos. Esse parâmetro pode ser o coeficiente de transferência de calor por convecção ou o coeficiente convectivo. Os efeitos convectivos provocados pelas correntes de ar afetam diretamente a velocidade do processo de secagem. Este coeficiente pode ser calculado pela equação abaixo:
:"
0; < =>? @>A - @>?
onde, Rc = Taxa de umidade crítica; < =>? = Calor latente na temperatura de bulbo úmido;
Tbu = Temperatura do bulbo úmido; Tbs = Temperatura do bulbo seco. A taxa de umidade crítica ( 0; ) é obtida a partir das Figuras 4 e 6 . O calor latente foi calculado fazendo interpolação com os dados retirados da Tabela 4.
Tabela 4. Calor latente da água. Temperatura (ºC)
BCDE
FGHI JKL MN
0
597,2
10
591,6
20
586,0
30
580,4
40
574,7
50
569,0
Os valores de : obtidos para as bandejas de face simples e dupla são, respectivamente: 203,33 e 114,36
O;PQ RS T MU
.
O coeficiente de transferência de calor por convecção indica o movimento de um fluido causado por forças de flutuação que resultam das variações de densidade devido a variações de temperatura no fluido. Quando a massa do líquido está em contato com uma superfície quente, suas moléculas separam-se e tornam-se dispersas, fazendo com que a massa de fluido se torne menos densa. Neste experimento trata-se de uma convecção forçada, ou seja, um processo convectivo onde as correntes convectivas são conduzidas artificialmente. Teoricamente o valor do coeficiente mostra qual a quantidade de energia necessária para elevar em um grau centigrado a temperatura de um mililitro de água por hora de uma determinada área e temperatura. Os resultados obtidos revelam também que a quantidade de energia requerida para elevar em um grau centigrado a temperatura de um mililitro de água por hora de
uma determinada área e temperatura é menor para a bandeja de face dupla em aproximadamente 56% comparando-se a bandeja de face simples.
5. CONCLUSÃO Conclui-se que a partir de todos os dados e gráficos obtidos o processo de secagem ocorreu de forma eficiente. Quando comparado com o experimento de secagem por convecção natural em estufa, a secagem em bandejas ocorreu de forma muito mais eficiente em um menor período de tempo, necessitando-se de aproximadamente 50 minutos para concluir a secagem. O outro experimento necessitou de 143 minutos e não chegou a concluir o processo. Dentre os dois métodos utilizados (bandeja com face única ou dupla) pode-se dizer que o de dupla face apresentou eficiência melhor que a outra por possuir o dobro de área de contato da amostra com o ar quente.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ZEMPULSKI, M. F., Equipamentos e processos de secagem . Instituto de Tecnologia do Paraná – TECPAR. Curitiba, 2007. [2] PARK, K. J., Conceitos de processo e equipamentos de secagem . Campinas, 2007. [3] SCHNEIDER, P. S., Termometria e Psicrometria " Universidade Federal do Rio Grande
do
Sul.
Porto
Alegre,
2012.
Disponível
em:
acessado em: 17/04/2015. [4] CELESTINO. S. M. C. Princípio de secagem de alimentos . Planaltina: DF. Embrapa. Cerrados, 2010. 51p. [5] ZEMPULSKI, M. F. S.; NELSON, L. Dossiê técnico – Equipamentos e processos
de secagem. Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas , 2007. Disponível em: , Acesso em: 17/04/2015.
