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Operao Unitria: Secagem

Discentes:

Alisson Martins

Filipe Zica

Isadora Rossi Bertoli

Karine Dias

Las Souza

Layssa Silveira Maia

Rafaela Tavares

Unidade Curricular: Operaes Unitrias III

Docente: Maurielem G. Dalcin

Introduo

Secagem aplica-se a transferncia de um lquido que est em um slido molhado para uma fase gasosa.

Est entre as operaes mais usuais na indstria qumica.

Em boa parte das situaes o ultimo processamento do produto antes de sua classificao e embalagem.

A secagem e os clculos para dimensionamento dos equipamentos esto relacionados aos problemas de mecnica dos fludos, estrutura dos materiais, fenmenos de transferncia de calor, remoo de umidade e alteraes de dimenses, cor, sabor, resistncia mecnica.

Muitas vezes os projetos so inviveis devido a complexidade desses fenmenos fsico-qumico.

Aplicao

utilizada para facilitar o carregamento ou descarregamento.

Reduzir os custos de transporte de matrias primas.

Aumentar a vida de prateleira do produto, ou simplesmente cumprir especificaes no que diz a respeito de uma matria prima ou de um produto.

encontrado em diversos processos como:

Indstrias agrcolas;

Cermicas;

Qumicas;

Alimentcias;

Farmacuticas;

de papel e celulose;

Mineral;

Polmeros.

Comportamento geral da Secagem

No contato entre a amostra e o meio secante, a temperatura do slido ajusta-se at atingir um regime permanente.

As temperaturas na superfcie do slido tendem a ser iguais temperatura de bulbo mido do gs.

J no interior do slido as temperaturas sofrem variaes comparando as temperaturas do bulbo mido devido ao movimento de massa e de calor.

No momento que a temperatura do slido atinge a temperatura do bulbo mido do gs, esse perodo denominado de secagem a taxa constante.

O perodo termina quando o slido atinge o teor de umidade crtico. Alm deste ponto, a temperatura da superfcie eleva-se e a taxa de secagem cai rapidamente.

No perodo de taxa decrescente a taxa de secagem aproxima-se de zero.

Curva tpica de secagem

O Segmento AB o perodo em regime no permanente;

No segmento BC toda a superfcie exposta do slido est saturada;

Teor de umidade crtico no ponto C;

Figura 1: Curva da taxa de secagem tpica em condies constantes de secagem

No ponto D, no h na superfcie qualquer rea saturada de lquido;

Em E, o teor de umidade de equilbrio, cessa a secagem.

Classes de materiais em funo do comportamento na secagem

Com base no comportamento durante a secagem possvel dividir os materiais em duas classes principais:

Slidos inorgnicos: retm a umidade nos interstcios;

Slidos orgnicos: retm a umidade como parte da estrutura do slido.

Slidos inorgnicos

Nesses materiais o movimento da umidade relativamente livre.

So pouco afetados pela presena do lquido, no sofrendo grande ao do processo de secagem nas propriedades do mesmo.

Portanto, as condies de secagem podem ser escolhidas livremente, priorizando a vantagem econmica.

Exemplos: Dixido de titnio, catalisadores e fosfato de sdio.

O movimento da umidade lenta e os teores de umidade no equilbrio so, em geral, altos.

Os slidos so afetados pela remoo da umidade, comprometendo a estrutura do mesmo. Um exemplo a secagem da madeira.

Em outros casos pode-se formar um revestimento impermevel na superfcie, onde inibe o prosseguimento da secagem no interior podendo o mesmo se deteriorar.

As condies devem ser escolhidas tendo em vista os efeitos que podem ter sobre a qualidade do produto e a economia do processo.

Exemplos: ovos, colas, extrato de caf solvel, cereais, amido.

Slidos orgnicos

Num slido homogneo a umidade movimenta-se para a superfcie em virtude da difuso molecular.

A velocidade do movimento da umidade expressa pela lei de Fick alterada.

(1)

Os mtodos de resoluo tambm podem ser os mesmos da lei de Fick.

Movimento da Umidade Mecanismo da Difuso

A integrao da equao leva em considerao as condies de contorno. A soluo obtida por Sherwood e Newman :

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A distribuio de umidade no teor de umidade crtico raramente uniforme.

Movimento da Umidade Mecanismo da Capilaridade

No caso de slidos granulados, o mecanismo da difuso molecular inapropriado.

Diferenas entre a presso hidrosttica e os efeitos da tenso superficial.

Tenso superficial provoca uma presso sob uma superfcie lquida encurvada.

(3)

Ao inserir um pequeno tubo no lquido, a asceno do lquido no tubo pode ser determinada mediante um balano de foras no ponto A.

Figura 2: Efeito de capilaridade

Fig. 3:

Fig. 4:

Fig. 5:

Fig. 6:

Taxas de secagem

Figura 7: Grficos tpicos do teor total de umidade e taxa de secagem em funo do tempo de secagem.

Clculo do tempo de secagem

Curva de velocidade de secagem deve ser detalhada em sua principais sees.

Velocidade de secagem:

(4)

Em que: a massa de slidos secos;

o teor de umidade livre;

a rea do slido em contato com ar;

Integrando entre e , determina-se o tempo total de secagem:

(5)

Clculo do tempo de secagem

Perodo de taxa constante: , ento o tempo de secagem resume-se a:

(6)

Perodo de taxa decrescente: Controlado primordialmente pela difuso:

, , (7)

Rearranjando a equao do tempo total de secagem, e integrando-a, do tempo de taxa constante at o tempo final do processo, tem-se:

(8)

(9)

Clculo do tempo de secagem

Substituindo a eq.(6) na eq.(9):

(10)

Assim, obtm-se o tempo de secagem total:

(11)

Teor de umidade crtico

Teor de umidade que existe ao final do perodo a taxa constante;

Depende da facilidade com que a umidade se desloca no interior do slido;

Tal teor dependente de trs fatores:

Estrutura porosa do slido;

Espessura da amostra;

Velocidade de secagem.

Teor de umidade crtico

Figura 9: Taxa de secagem por umidade

Figura 10: Taxa de secagem por umidade

Ponto crtico de umidade

Slidos porosos: a taxa de umidade na superfcie no igual ao processo de evaporao requerido pelo processo de bulbo mido;

Slidos no porosos: a umidade superficial totalmente evaporada.

Figura 11: Secagem de polpa de amianto ao ar

Teor de umidade de equilbrio

Umidade do slido que se encontra em equilbrio com o vapor contido no meio de secagem.

Para um valor estabelecido de umidade do ar, o teor de umidade do slido no dever ser menor que o teor de umidade do equilbrio.

A poro de gua que no pode ser retirada do slido mido pelo ar de entrada chamada umidade de equilbrio.

Teor de umidade de equilbrio

Figura 12: Teor de umidade de equilbrio em alguns slidos a 25C

Exemplo:

Amostra de l com 0,2g de /g de l seca;

Ar a 25C com 60% de umidade relativa;

Para ar com umidade relativa igual a 0%, o teor de umidade de equilbrio ser nulo.

Tipos de SecadoresSecadores a bandeja

Tipo de secador mais simples;

Operaes de secagem simples;

Modo de aquecimento das bandejas;

Meio secante;

Secadores do tipo

congelador.

Figura 14: Secador do tipo bandeja

Figura 13: Secador do tipo congelador

Tipos de SecadoresSecadores transportadores

Secadores Contnuos;

Modo de operao;

Vantagens.

Figura 15: Secador transportador

Tipos de SecadoresSecadores a tnel

Utilizados para secagem de grandes quantidades de matria-prima;

Concorrente;

Contracorrente.

Figura 16: Secador a tnel

Slidos granulados

O slido exposto ao gs da seguinte maneira:

Figura 17: Exposio do slido ao gs

Slidos granulados

O movimento do slido atravs do secador influenciado por 3 mecanismos distintos:

Ao dos suspensores;

Ao do tempo giratrio;

O gs de secagem.

Secagem flash

Figura 18: Esquema de secagem flash

Secagem de lamas e pastas grossas

Materiais que no fluem livremente, devem ser:

Mecanicamente agitados;

Espalhados sobre a superfcie de secagem;

Raspados desta superfcie a medida que a secagem vai progredindo.

Para isso pode-se utilizar os 4 secadores abaixo:

Rotatrio a vcuo;

Parafusos germinados;

Tabuleiro;

Tambor.

Figura 19: Secador de lamas

Grfico do desempenho de um agitador com tabuleiros

Figura 20: Curva da variao de potncia de um agitador em funo

do teor de umidade do slido

.

Secagem de lamas e pastas grossas

So poucos os dados de desempenho quantitativo para se usar no projeto destes secadores.

Figura 21: Secador rotatrio a vcuo

Tipos de SecadoresSecadores a tambor

Consistem em cilindros giratrios

aquecidos internamente pelo vapor

dgua.

A suspenso despejada do lado

externo do tambor, adere-se ele,

e tende a secar com o movimento

rotacional.

Faca de raspagem.

A temperatura da superfcie, velocidade de rotao e a espessura das camadas so determinadas de acordo com o teor de umidade.

Figura 22: Secador a tambor

Secadores a tambor

Figura 23: Diagrama esquemtico de um secador a tambor nico com tabuleiro de alimentao.

Figura 24: Secador a tambores germinados com alimentao pelo topo.

Figura 25: Secador a tambores germinados com alimentao projetante.

Secadores a tambor

No so muito usados;

No existe uma lei geral ou equaes universais que valem para este processo;

As informaes do processo de secagem so obtidas a partir da prtica, da experimentao com diferentes tipos de material ou de uma planta-piloto;

S atende as expectativas quando a camada do solido secante for densa espessa e continua.

Secadores pulverizadores

Usam uma carga bombevel;

Produzem como produto um material pulverulento;

Curta exposio do produto aos gases quentes;

Tempo de secagem depende de fatores como tamanho de partcula, temperatura e umidade.

Componentes principais

Filtro de ar;

Aquecedor de ar;

Atomizador;

Cmara de secagem.

Atomizadores

Bocais a dois fluidos;

Bocais a um fluido;

Atomizadores a disco centrfugo.

Sistema de secagem

Figura 26: Fluxograma de um sistema de secagem a pulverizao

Fonte: Foust et al., 1982, p. 424.

Secagem por Liofilizao

O produto no submetido a altas temperatura;

Conserva os nutrientes termossensveis presentes no produto;

Congelamento da gua contida no material e posterior remoo por sublimao ou adessoro.

Consideraes finais

Principais utilizaes;

Escolha do tipo de secagem;

Parmetros de secagem do material.

Referncias Bibliogrficas

Foust, S. Alan, et al. Princpios das Operaes Unitrias. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011.

McCabe W. L, Smith, J. C., Harriot, Peter. Unit Operations of Chemical Engineering. 7. ed. United States: McGraw-Hill International Edition, 2005;