manejo tecnolÓgico e operacional de secagem de

MANEJO TECNOLÓGICO E OPERACIONAL DE SECAGEM DE GRÃOS

ADILIO FLAUZINO DE LACERDA FILHO, DSc

Consultor em pós-colheita de grãos – secagem, aeração, esfriamento artificial de grãos e racionalização do uso deenergia em operações unitárias de pós-colheita.

Empresa: LACERDA CONSULTORIA LTDA

E-MAIL: adiliolacerda@gmail.com

TELEFONE: 55 XX (31)8863-1872

36570-000 Viçosa, MG - Brasil

LACERDA CONSULTORIA LTDA

CONCEITO DE SECAGEM DE GRÃOS

SECAGEM

"É o método universal de condicionar os grãospela remoção de água, em nível tal, que osmesmos se encontrem em equilíbrio com o arambiente, permitindo preservar sua aparência equalidades nutritivas, como alimento humano eanimal e, ainda, a sua viabilidade comosemente" (Hoja, 1972).

o que é secagem?

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SECAGEM NATURAL

É A OPERAÇÃO UNITÁRIA QUE ENVOLVE OS FENÔMENOS DE TRANFERÊNCIAS DE CALOR E MASSA, SEM QUE

OCORRA A INTERFERÊNCIA DO HOMEM. PARA A MAIORIA DOS GRÃOS A SECAGEM NATURAL ACONTECE NA

PRÓPRIA PLANTA, PELA AÇÃO DA ENERGIA IRRADIANTE DO SOL, PROPICIANDO A EVAPORAÇÃO E A

MOVIMANTAÇÃO DA ÁGUA DOS GRÃOS PARA O AR ATMOSFÉRICO.

SECAGEM ARTIFICIAL:

É A OPERAÇÃO UNITÁRIA DE PRÉ-PROCESAMENTO QUE ENVOLVE OS FENÔMENOS DE TRANSFERÊNCIAS DE

CALOR E MASSA, UTILIZANDO-SE DE ARTIFÍCIOS QUE PROPICIEM A ACELERAÇÃO DO PROCESSO, EVITANDO-SE

DANOS AOS GRÃOS, DENTRO DE LIMITES ESPECÍFICOS, OS QUAIS PODEM SER CAUSADOS POR IMPACTO E, OU

ESTRESSES TÉRMICOS.

CONCEITOS

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É UM SISTEMA CARACTERIZADO, BASICAMENTE, POR RECURSOS TÉCNICOSQUE POSSIBILITEM REALIZAR AS OPERAÇÕES DE RECEPÇÃO, PRÉ-LIMPEZA,MOVIMENTAÇÃO, SECAGEM E LIMPEZA DOS GRÃOS.

MOEGA DE RECEBIMENTO

TRANSPORADOR

MÁQUINA PARA PRÉ-LIMPEZA

SECADOR

MÁQUINA PARA LIMPEZA

ARMAZENAGEM

TRANPORTADOR

TRANPORTADOR

TRANSPORTADOR

O que é um sistema de secagem?

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SISTEMAS DE SECAGEM

FATORES IMPORTANTES A SEREM CONSIDERADOS PARA SE OBTER O BOM DESEMPENHO DE

UM SISTEMA DE SECAGEM DE GRÃOS:

PERMITIR OBTER A MÁXIMA PRESERVAÇÃO DAS QUALIDADES DOS GRÃOS, OBSERVADAS

IMEDIATAMENTE DEPOIS DA COLHEITA

SER ADEQUADAMENTE DIMENSIONADO PARA ATENDER A CAPACIDADE DE RECEBIMENTO DE

PRODUTO ÚMIDO E SUJO

TER BAIXA DEMANDA DE ENERGIA PARA AS OPERAÇÕES UNITÁRIAS

TER BAIXO CUSTO OPERACIONAL

DISPOR DE MÃO-DE-OBRA COMPETENTE PARA REALIZAR TODAS AS OPERAÇÕES

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ALGUNS FATORES QUE PODEM INFLUENCIAR A CAPACIDADE EFETIVA DE SECAGEM DE UM SECADOR

1) CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS E BIOLÓGICA DOS GRÃOS

2) CAPACIDADE NOMINAL DO SISTEMA

3) TEOR INICIAL DE ÁGUA DOS GRÃOS

4) TEOR FINAL DE ÁGUA DOS GRÃOS

5) ÍNDICES DE DANOS E IMPUREZAS OBSERVADOS NOS GRÃOS DEVIDO ÀS OPERAÇÕES DE COLHEITA E PRÉ-LIMPEZA

6) COMPETÊNCIA TÉCNICA DO OPERADOR

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MÉTODOS DE SECAGEM ARTIFICIAL DE GRÃOS

1) SECAGEM EM CAMADA ESTÁTICA

. com ar à temperatura ambiente

. com ar aquecido

2) SECAGEM COM MOVIMENTAÇÃO DE GRÃOS

. com intermitência de calor

. sem intermitência e calor

3) SECAGEM COMBINADA

4) SECA-AERAÇÃO (dryeration)

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ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DE SECADORES

1) QUANTO AO FLUXO DE AR E DE GRÃOS:

FLUXOS CRUZADOS

FLUXOS CONCORRENTES

FLUXOS CONTRACORRENTES

FLUXOS MISTOS

LEITO FLUIDIZADO

2) QUANTO À ESTRUTURA :

SECADORES DE TORRE

SECADORES DE CASCATAS

SECADORES DE COLUNAS

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Secagem em silos secadorescamada estática

Características

Modelos

SS1810 SS2410 SS3010 SS3610

Capacidade de secagem (t/h)* 2,0 4,6 7,5 9,2

Capacidade de armazenagem:

Volume (m3) 165 300 480 700

Massa (t) 124 225 360 525

Fonte: www.kepler.com.br

(*) referência para milho: 24 para 14% b.u.

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Secador contínuo, de fluxos cruzados

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Secador e lotes, intermitente, de fluxos concorrentes

(Patente UFV)

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Secador de fluxos contracorrentes

13

SECADOR DE TORRE, DE FLUXOS MISTOS

14

Secador de leito fluidizado

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ANÁLISE ENERGÉTICA SIMPLIFICADA DOS SITEMAS DE SECAGEM

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AVALIAÇAO DE SISTEMAS DE SECAGEM

Características a serem observada pelo empresário para a aquisição de um secador:

1) características operacionais;

2) entalpia específica do processo de secagem;

3) capacidade dinâmica do sistema;

4) influência do processo sobre a qualidade do produto; e

5) outras características específicas relacionadas ao produto e ao projeto.

Importâncias da avaliação:

1) durante a comercialização, são apresentas pelo fabricante, em sua maioria, apenas as informações técnicas sobre o desempenho dos secadores e a capacidade de secagem;

2) é necessário conhecer o consumo de energia, em função de seu alto custo;

3) é necessário conhecer a qualidade do produto, depois de secado; e

4) o custo inicial e a capacidade dinâmica não são suficientes para uma tomada de decisão sobre a capacidade do sistema.

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ALGUMAS POSSIBILIDADES OPERACIONAIS:

secagem contínua - seca e resfria

secagem contínua - seca e descarrega o produto quente

secagem contínua - seca parcial e descarrega o produto quente

secagem em lotes, intermitente - seca e resfria

secagem em lotes, intermitente - seca e descarrega quente

secagem em lotes, intermitente - seca parcial e descarrega quente

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Avaliação conforme Baker-Arkema, F. W.; Lerew, L. E.; Brook, R. C.; Brooker, D. B. Energy an capacity performance evaluation of grain dryers. St. Joseph: ASAE, 1978, 13p. (Paper nº 78-3523).

A metodologia propõe a avaliação do sistema com número reduzido de testes, sob condições padronizadas e complementadas com testes de simulação do processo.

São estabelecidos três testes para secadores em lotes e 24 horas de operação contínua para secadores contínuos.

Atualmente os secadores devem ser avaliados considerando a poluição sonora e de emissão de partículas para o ambiente.

Os modelos de Thompson et al. (1976) ou de Hukill (1954) podem ser utilizados para a simulação dos processos.

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AVALIAÇÃO DE SISTEMAS DE SECAGEM

Principais fatores que influenciam o desempenho dos secadores:

. teor inicial e final de água dos grãos;

. temperatura inicial e final dos grãos,

. propriedades térmicas dos grãos;

. resistência oferecida ao fluxo de ar;

. temperatura e umidade relativa do ar ambiente;

. características da fonte complementar de energia para o aquecimento do ar;

. características do sistema de movimentação dos grãos; e

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Especificações do sistema

VARIÁVEIS DO PROCESSO UNIDADES

1. Dos grãos:

Teores inicial e final de água % b. u.

Temperaturas inicial e final ºC

Massas específicas inicial e final kg m-3

Teores de impurezas inicial e final %

Índices de qualidade conforme normas

Massa inicial de produto úmido kg

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Especificações do sistema

VARIÁVEIS DO PROCESSO UNIDADES

2. Do ar:

Temperatura do ambiente ºC

Umidade relativa do ambiente %

Densidade do fluxo de ar m3 min-1 m-2 (ou m3 grãos)

Pressão estática Pa ( ou mm ca)

Temperatura do ar de secagem ºC

Temperatura de exaustão ºC

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VARIÁVEIS DO SISTEMA UNIDADES

3. Do sistema de secagem:

Volume total ou fluxo de grãos m3 ou m3 h-1

Tempo de secagem h

Tempo de esfriamento h

Tempo de carga e de descarga h

Tempo de secagem ou comprimento da coluna de secagem m

Tempo de esfriamento ou comprimento da coluna de

resfriamento m

Espessura da coluna de secagem m

Potencia de ventiladores kW

Potencia do sistema de movimentação de grãos kW

Tipo da fonte complementar de energia detalhe

Tipo de combustível detalhe

Especificações do sistema

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VARIÁVEIS DO SISTEMA UNIDADES

4. Características do processo:

Tempos de carga e de descarga h

Tempo de esfriamento h

Consumo de combustível kg h-1 ou m3 h-1

Duarção do teste h

Variação do teor de água % b. u.

Capacidade de secagem relativa aos grãos úmidos kg h-1 ou m3 h-1

Capacidade de secagem relativa aos grãos secos kh h-1 m3 h-1

Entalpìa específica de secagem com energia elétrica kJ / kg

Entalpia específica de secagem sem energia elétrica kJ / kg

Especificações do sistema

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CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS DE SECAGEM MAIS UTILIZADO NA BRASIL

MAIORIA – são secadores de torre, de fluxos mistos, operando em sistemas de lotes ou contínuos, com aquecimento direto ou indireto do ar de secagem, utilizando combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos.

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OS SECADORES SÃO PROJETADOS COM BASE EM ALGUMAS CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS OBSERVADAS EM UM PRODUTO, TAIS COMO:

1) Teores inicial e final de água;

2) Índices de impurezas;

3) Temperaturas inicial e final dos grãos; e

4) Algumas propriedades físicas tais como: condutividade térmica, entalpia de vaporização, difusão de água etc.

5) Parâmetros referenciais de ambiente e de pressão atmosférica

COM BASE NESSAS CARACTERÍSTICAS HÁ A NECESSIDADE DE SEREM ESTABELECIDOS FATORES DE CORREÇÃO PARA A CAPACIDADE NOMINAL, CONSIDERANDO DIFERENTES PRODUTOS:

1) Soja e trigo: fator de correção = 1,00

2) Milho: fator de correção = 0,75

3) Arroz: fator = 0,35

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SECAGEM CONTÍNUA - SECA E ESFRIA

Fonte: Weber (2005)

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Secagem contínua - com e sem reaproveitamento de ar

Com reaproveitamento de ar

Sem reaproveitamento de ar

Fonte: Weber (2005)

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Capacidade

nominal de 40 t/h

Vazão

(m3/h)

Potência motores)

(cv)

Energia

(kcal/h)

Com reaproveitamento de calor 100.000 30 2.100.000

Sem reaproveitamento de calor 135.000 50 2.300.00

Economia35.000

(26%)

20

(40%)

200.000

(8,6%)

Fonte: Weber (2005).

Comparação entre os sistemas operacionais com e sem reaproveitamento do ar

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Secador com capacidade 80 t/h (soja - 18 para 13% b.u.)

Q = 270.000 m3 de ar/h e Potência = 90 cv (3x30 cv).

Secagem contínua com esfriamento:

Capac. = 80 t/h

Q = 270.000 m3/h

P = 3 x 30 cv

Secagem em coluna inteira sem esfriamento:

Capac. = 104 t/h

Q = 270.000 m3/h

P = 3x30 cv

Secagem contínua com esfriamento e reaproveitamento de ar:

Capac. = 80 t/h

Q = 180.000 m3/h

P = 2x30 cv

Fonte: Weber (2005)

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APROVEITAMENTO PARCIAL DE AR QUENTE - SECADORES DE TORRE

31

secagem combinada contínua - seca parcial e descarrega o produto quente

32

SECAGEM COMBINADA:

1 - seca e descarrega o produto quente (Weber, 2005)

. utiliza toda a torre do secador como torre de secagem;

. o produto seco e quente é esfriado em silo;

. sugere-se um repouso de 4-6 h;

. aumento da capacidade de secagem - 30%

33

SECAGEM COMBINADA

2 - seca e descarrega o produto quente e com umidade acima da indicada para a armazenagem (Weber, 2005)

. utiliza toda a torre do secador como torre de secagem;

. o produto seco e quente é esfriado em silo;

. sugere-se um repouso de 4-6 h;

. aumento da capacidade de secagem - 30%;

. ganhos devido a umidade

21/10/201534

Seca-aeração

SECA AERAÇÃO

CONDIÇÕES OPERACIONAIS

1) permite aumentar em até 70 % a capacidade operacional, sendo:

a) 30 a 50 % por transformar a câmara de esfriamento em câmara desecagem;

b) 30 a 40 % por secar os grãos até a umidade entre 14 e 16 % b.u.; e

c) 10 a 20 % por operar com ar à temperatura igual ou superior a 90 °C.

21/10/2015 35

SECA AERAÇÃO

MELHORIA SOBRE A QUALIDADE DO PRODUTO

a) reduz em até 30 % o índice de trincas;

b) reduz os danos causados por estresse de temperatura quando o produto tem baixo teor de água;

c) os grãos são menos manuseados no secador;

d) eficiência de esfriamento em grãos de milho:

- temperatura de 53 °C – perde entre 1,5 e 1,9 % de umidade;

- temperatura de 61 °C – perde entre 1,7 e 2,3 % de umidade; e

- temperatura de 67 °C – perde entre 2,0 e 3,1 % de umidade.

21/10/2015 36

SECA AERAÇÃO

ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA

a) vazão específica de ar – 0,4 a 1,0 m3 de ar por min por m3 de grãos;

b) o silo deve ter o fundo totalmente perfurado;

c) o sistema de ventilação é fixado na base do silo;

d) a capacidade do silo de esfriamento não deve ultrapassar 300 t;

e) a altura do silo não deve ser superior a 15 m;

f) o teor de impureza não deve ser superior a 3 %; e

g) o silo deve ser equipado com espalhador de grãos.

21/10/2015 37

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CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES

A secagem é um processo de conservação muito dispendioso.

Estima-se que 60% do total de energia necessário ao processo de produção éutilizado para a secagem.

Considera-se no processo de secagem a energia necessária para aquecer eesfriar os grãos, para aquecer e movimentar o ar e para movimentar osgrãos.

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Fatores que influenciam o consumo de combustível e de energia elétrica durante a secagem

Características construtivas do secador

Características operacionais do sistema

Características do produto a ser secado

Teores inicial e final de água dos grãos

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Formas de expressar as relações de energia:

1) Pelo consumos específico de energia - kJ ou kcal kg-1 de águaevaporada.

2) Quantidade de energia por unidade de massa de produto seco -kJ ou Kcal/t.

3) Em cada situação deve-se expressar a energia incluindo eexcluindo a energia elétrica, considerando que os secadorespodem ter diferentes sistemas para a movimentação dos grãos.

NOVAS TECNOLOGIAS DE SECAGEM

Secagem em lotes, com intermitência, em secador de fluxos concorrentes e ar desidratado - café

42

SECAGEM EM LEITO FIXO EM CONDIÇÕES CONTROLADAS DO AR

43

AUTOMATIZAÇÃO DA CONDIÇÃO DE SECAGEM

Características potenciais e objetivadas em um sistema controlado, de secagem:

1 – Segurança: redução do perigo de fogo ou explosão e emissão de partículas;

2 – Garantia da qualidade do produto: manutenção dos atributos desejados para a

qualidade dos produtos e suas propriedades, como sabor, odor, sanidade, cor,

vigor, germinação etc;

3 – Maximização do rendimento;

4 – Economia de energia: minimizar o custo e melhorar a eficiência;

5 – Atenuação dos distúrbios: minimizar a influencia sobre a quantidade e

qualidade do produto;

6 – Estabilidade do processo de secagem: responder as oscilações decorrentes do

processo de secagem do produto; e

7 – Robustez: garantir a operação normal do sistema para uma ampla faixa de

pontos de operação e distúrbios.

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MetodologiaVariáveis controladas e variáveis manipuladas:

Variáveis controladas:

• Temperatura do ar de saída

• Umidade relativa do ar de saída

Variáveis manipuladas:

• Velocidade do motor do ventilador

• Velocidade do motor do comprensor

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MetodologiaCurva típica da resposta em malha fechada com as

constantes PID (proporcional integral derivativo) calculadas

com as regras de Ziegler-Nichols

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MetodologiaUniformização da umidade da massa de grãos:

47

MetodologiaSistema de controle para o secador com a UTA:

circuito

48

Protótipo:

Resultados

49

Sistema completo:

Resultados

50

AJUSTE DA TEMPERATURA

51

AJUSTE DA UMIDADE

52

AJUSTES DE TEMPERATURA, UMIDADE RELATIVA E UMIDADE DE EQUILÍBRIO

53

Valores de umidade de equilíbrio para diferentes valores de temperatura e de umidade relativa – milho, soja e arroz (Chung & Pfost, citado por Silva et al., 2000)

Produtos

T

(ºC)

Umidade de equilíbrio (% b.u.)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 99

Milho

15 6,08 7,91 9,34 10,64 11,94 13,31 14,88 16,83 19,79 27,81

20 5,54 7,38 8,83 10,15 11,46 12,85 14,43 16,4 19,39 27,49

25 5,03 6,90 8,36 9,69 11,02 12,24 14,01 16,01 19,02 27,19

30 4,57 6,46 7,93 9,27 10,61 12,03 13,63 15,65 18,68 26,92

35 4,14 6,04 7,53 8,89 10,23 11,66 13,28 15,31 18,37 26,67

Soja

15 1,50 3,94 5,83 7,53 9,22 10,99 12,99 15,47 19,15 28,86

20 1,21 3,66 5,55 7,21 8,96 10,75 12,76 15,25 18,95 28,71

25 0,92 3,38 5,29 7,02 8,72 10,51 12,53 15,04 18,76 28,56

30 0,64 3,12 5,04 6,78 8,49 10,29 12,32 14,83 18,57 28,41

35 0,38 2,87 4,79 6,54 8,26 10,07 12,11 14,64 18,39 28,28

Arroz

15 6,97 8,37 9,48 10,50 11,52 12,60 13,85 15,42 17,82 24,53

20 6,59 8,01 9,13 10,15 11,18 12,27 13,52 15,11 17,53 24,28

25 6,25 7,67 8,80 9,83 10,86 11,97 13,23 14,82 17,26 24,05

30 5,93 7,36 8,49 9,53 10,57 11,68 12,95 14,56 17,01 23,84

35 5,63 7,07 8,21 9,26 10,30 11,42 12,70 14,31 16,77 23,64

Curvas de secagem com sistema automático de controle da UTA

55

9,00

10,00

11,00

12,00

13,00

14,00

15,00

16,00

17,00

02/08/2010 05/08/2010 08/08/2010 11/08/2010 14/08/2010 17/08/2010 20/08/2010

Te

or

de

ág

ua (

% b

.u.)

Tempo (dias)

05 cm 40 cm 80 cm 120 cm 160 cm 200 cm média

56

Literatura consultada

• BROOKER, D.B.; BAKKER-ARKEMA, F.W.; HALL, C.W. Drying and storage of grains and oilssed. New York: Na Avi Book. 450p., 1992;

• NAVARRO, S.; NOYES, R. (Ed). The mechanics and physics of modern grain aeration management. New York: CRC Press. 647p. 2002;

• SILVA, J. de S. e (Ed). Secagem e armazenagem de produtos agrícolas. Viçosa: Aprenda Fácil. 502p. 2000.

• WEBER, E.A. Excelência em beneficiamento e armazenagem de grãos. Canoas: Editora Salles. 586p. 2005.

MUITO OBRIGADO