Download - PFC Otimização Secagem v2.0
CAPA
FOLHA DE ROSTO
FOLHA DE APROVAÇÃO
DEDICATÓRIA
AGRADECIMENTOS
RESUMO NA LÍNGUA VERNÁCULA
RESUMO EM LÍNGUA ESTRANGEIRA
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
LISTA DE TABELAS
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO
Segundo Costa (2007), a secagem é definida como sendo a operação pela qual é
retirada a umidade contida em materiais diversos. De fato, ao secar roupas em máquinas de
lavar ou grãos em um silo, retira-se água presente nesses materiais superficial ou
internamente. Vale dizer que, durante o processo de secagem, outros vapores podem ser
retirados juntamente com a umidade (COSTA, 2007).
Na indústria, é uma das operações mais utilizadas na prática (COSTA, 2007), podendo
ser encontrada no processamento de plásticos, couros e borrachas, enquanto que, na
agropecuária, a secagem tem papel fundamental na garantia de qualidade e conservação de
cereais, grãos e materiais perecíveis em geral.
Em um cenário como o Estado de Goiás, por exemplo, onde a agropecuária é uma das
principais atividades econômicas e que contribui principalmente nas exportações, este
processo possui grande importância na eficiência produtiva das diversas culturas aqui
existentes.
Este destaque é devido às grandes vantagens que a retirada de água promove. Com a
secagem, reduz-se o peso do produto, gerando redução no custo do transporte e armazenagem;
reduzir a umidade também diminui as chances de organismos microbianos se desenvolverem
em meio ao alimento com consequente perda de qualidade (CORNEJO; NOGUEIRA;
WILBERG, 2007). Além disso, quando reconstituído em água, o alimento mantém quase que
integralmente suas características físicas e nutritivas.
Segundo Costa (2007), a secagem pode ocorrer por meios mecânicos, como a
prensagem, a gravidade, a torção e a centrifugação, e também pode ocorrer por difusão. Os
primeiros, geralmente usados quando o produto é um material sólido que não se dissolve em
água, têm a função de realizar uma secagem preliminar apenas, já que a umidade residual
deixada ao fim do processo é alta (no caso da centrifugação com 30-35%, quando se relaciona
a umidade residual com o peso do material seco). Já a secagem por difusão trata-se de uma
operação mais completa de secagem que envolve transferência de calor e de massa entre o
material a ser secado e o ar utilizado na secagem.
Quando se trata de secagem por difusão, a física do processo está no fenômeno da
difusão do vapor d’água no ar. Por isso, fatores tais como a pressão do vapor d’água no
material, a pressão atmosférica e a pressão parcial do vapor d’água do ar de secagem,
influenciam esta operação (os conceitos destes parâmetros serão explicados oportunamente).
Dessa forma, é necessário que o projetista ou usuário de um sistema de secagem tenha
conhecimento abrangente das características do ar úmido, a fim de determinar os melhores
parâmetros para o processo em um projeto particular ou escolher o melhor tipo de secador
para a sua aplicação.
Contudo, conhecimento das características do ar úmido não é o bastante,
principalmente no caso de um projeto. Na secagem de alimentos, madeiras, couro ou
plásticos, é necessário que se leve em consideração problemas nas áreas de mecânica dos
fluidos, da química das superfícies e da estrutura dos sólidos (FOUST e CLUMP, 1982).
Diante de tantas variáveis envolvidas, é natural que se tenha diversas soluções para um
problema de secagem, resultando, assim, em variados tipos de técnicas e equipamentos de
secagem que procuram atender a várias condições de operação. Quanto às técnicas adotadas,
Costa (2007) destaca a secagem natural, a secagem por aquecimento do material, a secagem
por aquecimento do ar, a secagem a vácuo e a secagem por refrigeração.
A secagem natural ocorre quando o material a secar e o ar de secagem se encontram
nas condições ambientes normais. Neste processo, o principal parâmetro do processo é a
velocidade de deslocamento do ar.
A secagem por aquecimento do material, quando comparado com a secagem natural,
tem um aumento de transferência de massa de vapor d’água do material para o ar de secagem
através do aumento da pressão de saturação do vapor d’água na superfície do mesmo causado
pelo aumento de temperatura do material. Esse aumento de temperatura pode ser por
aquecimento solar, por aquecimento direto do material por transmissão de calor por contato
direto, por radiadores de calor ou lâmpadas infravermelhas, por radiofrequência (microondas),
ou por efeito Joule.
A secagem a vácuo é baseada na redução de pressão do ar ambiente. É uma operação
de grande vantagem na secagem de materiais delicados. Isso porque exige que a operação seja
feita a temperaturas mais baixas para ser viável.
A secagem por refrigeração se aproveita da chamada purga frigorífica. Esse fenômeno
é caracterizado pela transferência de massa de vapor d’água entre dois corpos úmidos de
temperaturas diferentes presentes num mesmo ambiente. No caso, o vapor d’água é
transferido do corpo quente para o corpo frio. A vantagem deste processo se assemelha àquela
da secagem a vácuo, onde a operação pode ser feita a temperaturas mais baixas que a
ambiente.
Por último, a técnica de secagem por aquecimento do ar, a técnica mais adotada
atualmente. Esta técnica tem a vantagem de aumentar a pressão de saturação do vapor d’água
do material e aumentar a capacidade de arraste de umidade do ar, o que resulta numa maior
transferência de massa do material para o ar. É técnica cujo princípio é a base de diversos
secadores, que podem ser classificados como (COSTA, 2007): secadores de circulação natural
ou forçada do ar; intermitentes ou contínuos; de fluxo equicorrente, contracorrente, misto ou
de corrente cruzada; do tipo torre, ciclone, tambor rotativo ou túnel, com transporte por
corrente, correia ou carrinhos.
Como dito, os secadores a ar quente podem ser divididos entre contínuos e
intermitentes/descontínuos. Os secadores contínuos por aquecimento de ar são aqueles onde o
material a secar se movimenta entrando no secador com certa umidade e saindo com a
umidade desejada, num processo contínuo. Este material pode se deslocar em relação ao ar de
maneira equicorrente, contracorrente, por correntes cruzadas ou corrente mista (COSTA,
2007). Desse modo, este tipo de secador pode apresentar-se de várias maneiras construtivas.
Os principais são os de tambor rotatório, os do tipo túnel, os do tipo torre com circulação do
material por gravidade e os secadores modernos com atomizadores, com destaque para os dois
primeiros.
Os secadores de tambor rotatório são aplicados na secagem de sal marinho, calcário,
areias e demais materiais particulados que podem ainda sofrer fragmentação sem prejuízo à
qualidade. Basicamente é constituído por um cilindro horizontal alongado, que gira em baixa
rotação. E para que o material a secar possa se deslocar longitudinalmente, o cilindro tem uma
inclinação por volta de 1 a 3% (COSTA, 2007). Este secador tem a vantagem de ter uma
secagem maior do que em secadores de tabuleiros ou túneis secadores, devido à maior área
exposta do sólido (FOUST e CLUMP, 1982). Um secador do tipo tambor pode ser visto na
Figura 1.
Figura 1 – Esquema básico de um secador rotatório com suas principais dimensões produzidos pela Alliance Indústria Mecânica.
FONTE: ALLIANCE INDÚSTRIA MECÂNICA.
Os secadores do tipo túnel, cujo esquema básico pode ser visto na Figura 2, são
caracterizados pelo deslocamento contínuo do material a secar pela câmara de secagem
(FOUST e CLUMP, 1982). Este deslocamento ocorre através de bandejas em vagonetes e o
fluxo de ar pela câmara de secagem assume diversas direções sucessivamente, ora sendo
transversal ao fluxo do material, ora sendo em sentido contracorrente ou até em corrente
paralela. Segundo Cornejo, Nogueira e Wilberg (2014), este tipo de secador é recomendado
para aplicações onde há grande quantidade de matéria-prima a ser secada. Além disso, estes
equipamentos exigem do operador tenha certo nível de habilidade para que mantenha o
produto final com características homogêneas.
Figura 2 - Esquema de um secador a túnel.
FONTE: (MELONI, 2003).
Um equipamento semelhante ao secador de túnel é o secador com esteiras
transportadoras, onde o material se desloca através de esteiras transportadoras feitas de chapa
metálicas perfuradas ou de tela metálica e o aquecimento se dá por meio de tubos de vapor
aletados. Na Figura 3, pode ser visto um secador com esteiras transportadoras.
Figura 3 - Secador com esteira transportadora.
FONTE: (FOUST et. al., 1982).
Segundo Costa (2007), os equipamentos de secagem intermitentes/descontínuos
trabalham por batelada, ou seja, trabalham com uma carga fixa de material a secar. Exemplos
de materiais secados neste tipo de equipamento são os tijolos, cerâmicas, fumo e tecidos, que
são alojados em câmaras de secagem, e também cereais e materiais granulados, alojados em
silos de seção circular ou retangular. Aqui, serão destacados o secador de leito fluidizado e o
secador a bandeja.
Dentre estes secadores descontínuos, Celestino (2010) conta que no caso do secador
de leito fluidizado ou leito de jorro, “o ar quente atravessa um leito, onde o alimento sólido
está depositado e, pela sua alta velocidade, o ar quente é capaz de fluidizar (ressuspender)
esse alimento”. Utilizado na secagem de ervilhas, café, farinha e sal, este tipo de secador, cujo
esquema básico pode ser visto na Figura 4, tem a vantagem de secar o alimento de forma bem
homogênea e rápida. Porém, exige que o alimento sólido suporte danos mecânicos.
Figura 4 - Esquema de um secador de leito fluidizado.
FONTE: (CELESTINO, 2010).
Os secadores a bandeja são o tipo mais simples de secador e o mais comum entre os
secadores de batelada. De simples construção e operação, com baixo custo de manutenção,
este secador consiste basicamente de uma câmara com isolamento térmico, com sistemas de
aquecimento e ventilação de ar circulante sobre bandejas que ficam em uma base fixa (PUHL;
NITZKE, 20??). Tais bandejas, cuja quantidade pode ser de 20 ou mais, podem ter fundo
inteiriço ou serem telados, permitindo o escoamento do ar de secagem através das bandejas e
do material. É um equipamento de operação descontínua e para aplicações em pequena escala
(FOUST e CLUMP, 1982). Um secador de bandeja é utilizado, por exemplo, no
processamento de maçãs desidratadas, tomates secos, figos secos e bananas passas. Um
esquema básico de um secador de bandeja pode ser visto na Figura 5.
Figura 5 - Esquema básico de um secador de bandejas.
FONTE: (FOUST e CLUMP, 1982).
Como já dito, para entendermos os princípios físicos envolvidos na secagem de
materiais diversos por meio de ar quente, é necessário que sejam bem conhecidas as
características do ar úmido. Por isso, na próxima seção serão expostos conceitos e definições
da psicrometria, área da ciência que estuda as relações entre o ar e o vapor d’água.
1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1. Fundamentos de Transferência de Massa
2. CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Nesta seção serão apresentadas as algumas definições e conceitos presentes na teoria
da psicrometria e da termodinâmica e que serão utilizadas no desenvolvimento deste trabalho.
As definições foram retiradas de (MELONI, 2003).
PSICROMETRIA: Área da física relacionada com a medição ou a determinação das
condições do ar atmosférico, particularmente relativo à mistura de ar seco e vapor d’água.
TEMPERATURA DE BULBO SECO (T): É a verdadeira temperatura do ar úmido
e frequentemente denominada temperatura do ar. É a temperatura do ar marcada em um
termômetro comum.
TEMPERATURA DE PONTO DE ORVALHO (Tpo): É a temperatura na qual o ar
úmido não saturado se satura, mantidas constantes a pressão e a razão de umidade.
TEMPERATURA DE BULBO ÚMIDO (Tbu): É a temperatura de equilíbrio que se
alcança quando a mistura de ar seco e vapor d’água passa por um processo de resfriamento
adiabático até chegar à saturação.
PRESSÃO DE VAPOR (Pv): É a pressão parcial que exercem as moléculas de vapor
d’água presentes no ar úmido. Quando o ar está completamente saturado de vapor d’água, sua
pressão de vapor se denomina pressão de vapor saturado (Pvs).
RAZÃO DE UMIDADE (Razão de mistura) (W): Relação entre a massa de vapor
d’água e a massa de ar seco em um determinado volume de mistura.
UMIDADE RELATIVA (UR): Razão entre a pressão de vapor d’água em um
determinado momento (Pv) e a pressão de vapor d’água quando o ar está saturado de umidade
(Pvs), para a mesma temperatura. Pode ser expresso como um decimal ou como porcentagem.
UMIDADE ABSOLUTA (UA): Relação entre a massa de vapor d’água e o volume
que ocupa a mistura de ar seco e vapor d’água.
GRAU DE SATURAÇÃO (m): Relação entre a razão de umidade real da mistura
(W) e a razão de umidade do ar em estado de saturação (Ws), para a mesma temperatura e
pressão atmosférica.
ENTALPIA (h): Energia do ar úmido por unidade de massa de ar seco, sobre uma
temperatura de referência.
VOLUME ESPECÍFICO (Ve): O volume específico do ar úmido é definido como o
volume que ocupa a mistura de ar seco e vapor d’água por unidade de massa de ar seco. A
massa específica do ar úmido não é igual ao recíproco de seu volume específico. A massa
específica do ar úmido é a relação entre a massa total da mistura e o volume que ela ocupa.
3. COMPORTAMENTO GERAL NA SECAGEM
3.1. Mecanismos de migração da umidade
Para que haja a secagem completa do sólido e não apenas da superfície do mesmo, a
água deve caminhar dos interstícios do material a secar para a superfície, a fim de que o ar
secante promova sua evaporação e seu arraste. Dessa forma, Park et. al. (2007) destaca os
principais mecanismos de migração da umidade. São elas:
i. Difusão líquida: que ocorre devido à existência do gradiente de concentração;
ii. Difusão de vapor: que ocorre devido ao gradiente de pressão de vapor, causado
pelo gradiente de temperatura;
iii. Escoamento de líquido e de vapor: que ocorrem devido à diferença de pressão
externa, de concentração, capilaridade e alta temperatura.
3.2. Curvas de secagem
Apesar dos diferentes tipos de materiais a serem secados e dos diversos secadores
existentes, é possível descrever um comportamento geral na secagem de sólidos úmidos. Esse
comportamento, como veremos, pode ser representado até mesmo por curvas típicas de
secagem que dividem o processo em diferentes etapas ou períodos.
Foust et. al.(1982) conta que, inicialmente, logo após o contato entre a amostra e o
meio secante, a temperatura do sólido começa a alterar-se para atingir a temperatura de bulbo
úmido do ar secante. Nesta etapa, a velocidade de secagem pode aumentar ou diminuir até que
o estado de regime permanente seja atingido.
Em regime permanente, a temperatura da superfície do sólido se torna igual à
temperatura de bulbo úmido do ar secante. As temperaturas internas também tendem a se
igualar a esta temperatura, mas, devido à defasagem entre a velocidade de transferência de
massa e a velocidade de transferência de calor, a perfeita concordância entre estas
temperaturas não ocorre. Nesta fase, a velocidade de secagem permanece constante, de modo
que este período é chamado de período de secagem a taxa constante (FOUST et. al., 1982).
O período de secagem a taxa constante acaba quando o sólido atinge o teor de
umidade crítico, momento em que “o movimento do líquido para a superfície do sólido torna-
se insuficiente para substituir o líquido que está sendo evaporando” (FOUST et. al., 1982). A
partir daí, a temperatura do sólido úmido tende a elevar-se e a taxa de secagem cai
rapidamente, caracterizando o período de taxa decrescente. Este período, apesar da baixa
remoção de umidade, pode perdurar por mais tempo do que o período de taxa constante.
Quando o teor de umidade chega ao teor de umidade de equilíbrio, o menor teor de umidade
atingível, a taxa de secagem chega próximo de zero.
Nas Figuras 6 e 7 são mostradas as curvas típicas de secagem. Na Figura 6, encontra-
se o gráfico do teor de umidade, em massa de líquido por massa de sólido seco, em função do
tempo. Já na Figura 7, é mostrada a relação típica da velocidade de secagem, em kg/h.m² e o
teor de umidade.
FIGURAS 6 E 7
REFERÊNCIAS
UHL, Janice; NITZKE, Julio Alberto. Secagem de vegetais: Secador do tipo bandeja. Disponível em: <http://www.ufrgs.br/alimentus1/objetos/veg_desidratados/c_bandeja.html>. Acesso em: 11 set. 2014.
COSTA, Ennio Cruz da. Secagem Industrial. São Paulo: Blucher, 2007.
FOUST, Alan S. et al. Princípios das Operações Unitárias. 2. ed. Rio de Janeiro: Ltc, 1982.
CORNEJO, Felix Emílio Prado; NOGUEIRA, Regina Isabel; WILBERG, Viktor Christian. Árvore do Conhcimento - Tecnologia de Alimentos: Máquinas e Equipamentos. Disponível em: <http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/tecnologia_de_alimentos/arvore/CONT000fid3s5b702wyiv80z4s473k6g37yw.html>. Acesso em: 28 set. 2014.
CELESTINO, Sônia Maria Costa. Princípios de Secagem de Alimentos. Planaltina: Embrapa, 2010. 51 p. Disponível em: <www.cpac.embrapa.br/download/1735/t>. Acesso em: 28 set. 2014
MELONI, P. L. S. Semana Internacional Da Fruticultura, Floricultura E Agroindústria, 10., 2003, Fortaleza. Desidratação de Frutas e Hortaliças. Fortaleza: Instituto Frutal, 2003. 87 p. Disponível em: <http://www.eteavare.com.br/arquivos/20_1959.pdf>. Acesso em: 28 set. 2014.
PERUSSELLO, C.A.; Estudo dos Parâmetros de Processos e Modelagem Numérica da Secagem do Resíduo Sólido da Produção do Extrato Hidrossolúvel de Soja (Okara). Curitiba, 9 jul. 2008. Disponível em <http://www.biblioteca.pucpr.br/>. Acesso em: 29 set. 2014.PARK, Kil Jin et al. Conceitos de processo e equipamentos de secagem. 2007. Disponível em: <http://www.feagri.unicamp.br/ctea/manuais/concproceqsec_07.pdf>. Acesso em: 28 set. 2014.