manejo tecnolÓgico e operacional de secagem de
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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
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TELEFONE: 55 XX (31)8863-1872
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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
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SECADOR DE TORRE, DE FLUXOS MISTOS
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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%)
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(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
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secagem combinada contínua - seca parcial e descarrega o produto quente
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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%
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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SECAGEM EM LEITO FIXO EM CONDIÇÕES CONTROLADAS DO AR
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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:
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MetodologiaSistema de controle para o secador com a UTA:
circuito
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Protótipo:
Resultados
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Sistema completo:
Resultados
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AJUSTE DA TEMPERATURA
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AJUSTE DA UMIDADE
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AJUSTES DE TEMPERATURA, UMIDADE RELATIVA E UMIDADE DE EQUILÍBRIO
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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
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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
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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