SECAGEM DE SÓLIDOS. Material húmido (sólido, pasta, sólido em suspensão) + CALOR Sólido “seco” + vapor DEFINIÇÃO.
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SECAGEM DE SÓLIDOS
Material húmido (sólido, pasta, sólido em suspensão)
+CALOR
Sólido “seco” + vapor
DEFINIÇÃO
NO MEIO DO PROCESSO
• Preparar o produto para operações seguintes
NO FIM DO PROCESSO
• Dar ao produto uma forma mais manuseável• Dar ao produto uma massa constante• Conservar o produto• Reduzir os custos de transporte
OBJECTIVOS
Não confundir com separações mecânicas: decantação, filtração, centrifugação etc.
A secagem (térmica) é normalmente a única que consegue reduzir a humidade de um sólido aos niveis finais desejados
É pois frequentemente a última operação de um processo em que se pretende um sólido seco.
Define muitas vezes a forma final do produto
As separações mecânicas precedem muitas vezes a secagem porque gastam menos energia.
A evaporação também consegue ser energeticamente mais eficiente que a secagem, porque se podem usar evaporadores multi-efeito ou recompressão de vapor.
O equipamento tem que:
1) Fornecer calor2) Remover vapor de água3) Manipular o material (que pode às vezes ir de líquido a
sólido)
1) O fornecimento de calor pode ser por
• Radiação – Luz solar, infravermelhos, microondas• Condução – contacto do material com superfície quente• Convecção (aquecimento directo) – Contacto do material com
gás quente
EQUIPAMENTO DE SECAGEM
O equipamento tem que:
1) Fornecer calor2) Remover vapor de água3) Manipular o material (que pode às vezes ir de líquido a sólido)
2) O vapor de água proveniente da secagem pode ser removido por:
• A corrente de gasosa que aquece por convecção• Vácuo (incompatível com aquecimento por convecção)
O equipamento tem que:
1) Fornecer calor2) Remover vapor de água3) Manipular o material
(que pode às vezes ir de líquido a sólido)
3) Manipulação do material: O secador tem que:• receber o material a secar• promover o seu contacto com ar quente ou com superfícies quentes,• misturá-lo evitando aquecimentos locais• descarregá-lo, etc. • Esta manipulação é muitas vezes o mais difícil na secagem
Há dezenas de soluções possíveis para cumprir os requisitos acima mencionados, logo, há dezenas de tipos de secadores.
Secadores descontínuos: • apropriados para secagem de quantidades relativamente
pequenas. Secadores de operação em contínuo:• apropriados para operação em contínuo, logo adequados a
grandes caudais.
TIPOS DE SECADORES
SECADOR DE TABULEIROS
http://rpaulsingh.com/animated%20figures/fig12_4.htm
SECADOR DE ATOMIZAÇÃO
Grandes caudais
Alimentação líquida (solução ou suspensão)
Produto pó
SECADOR DE ATOMIZAÇÃO
SECADOR DE ATOMIZAÇÃO
http://rpaulsingh.com/animations/spraydryer.html
SECADOR DE TELA
SECADOR DE TRANSPORTE PNEUMÁTICO
Grandes caudais
Alimentação sólida
Granulometria (~ mm)
SECADOR DE LEITO FLUIDIZADO
http://www.niro.dk/niro/cmsdoc.nsf/WebDoc/ndkk5hvecqCONTACTFLUIDIZERF
Grandes caudais
Alimentação sólida
Granulometria (~ mm ~cm)
SECADOR ROTATIVO
• • ~ Grandes caudais• Elevado tempo de residência• Granulometria grossa ( ~ cm)
SECADOR ROTATIVO
SECADOR DE TAMBOR
Alimentação líquida
SECADOR BICÓNICO
Batch
Alimentação sólida ·Granulometria (muito flexível)·Aquecimento indirecto
(aparte) EXEMPLOS DE TRANSPORTADORES DE SÓLIDOS
Transportadores de parafuso
http://www.youtube.com/watch?v=_OZv2kf_SCs
Transportadores de correia
Transportadores de alcatruzes (para transporte vertical)
Transporte pneumático
Outros
Alimentadores ao transporte pneumático – os mais comuns são as válvulas rotativas e os venturis:
As válvulas rotativas podem ser doseadoras: o caudal de descarga/alimentação depende da velocidade de rotação
http://www.youtube.com/watch?v=-buKu3-Ar7I A partir dos 2 min
A escolha do secador depende em grande medida da forma da alimentação
Líquidos (soluções ou suspensões de sólidos)
podem ser alimentados a: Secadores de tambor Secadores com agitação mecânica Secadores de atomização (“spray”)
ESCOLHA DO TIPO DE SECADOR
Pastas podem ser alimentados a: Secadores de tabuleiro Secadores de tela Secadores de tambor Secadores com agitação mecânica Secadores de atomização (“spray”)
Talvez a ... secadores de leito fluidizado (depende da pasta)
ESCOLHA DO TIPO DE SECADOR
• Sólidos húmidos podem ser alimentados a:
Secadores de tabuleiro
Secadores de tela
· Secadores com agitação mecânica
· Secadores bicónicos
Secadores rotativos (diam. partícula ~ cm)
Secadores de leito fluidizado (diam. partícula: ~ mm ~ cm)
Secadores de transporte pneumático (diam. partícula: ~ mm)
ESCOLHA DO TIPO DE SECADOR
A FORMA DA ALIMENTAÇÃO PODE SER MODIFICADA
SÓLIDO FIBROSO
PASTA DURA
SÓLIDO GRANULAR
MOAGEM
MOAGEM
PASTA
SUSPENSÃO DE SÓLIDOS
LÍQUIDO
EVAPORAÇÃO, CENTRIFUGAÇÃO, FILTRAÇÃO, OU OUTRA
EVAPORAÇÃO
PASTA p/ ex, EXTRUDIR
GRANULAÇÃO
COMPRESSÃO
Escala -
pequena capacidade ==> batch
grande capacidade ==> contínuo
maiores capacidades …................
Rotativo
Leito fluidizado
Transporte pneumático
Spray
+ FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR
+ FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR
Produto sensível -
à temperatura
secagem sob vácuo
secador em co-corrente
boa mistura p/evitar aquecimentos locais
à oxidaçãosecagem sob vácuo
secagem em atmosfera inerte (gás de combustão, p/ex
ao manuseamento
secador de tabuleiros
secador de tela
outros
+ FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR
Fogo e explosões
secagem sob vácuo
secagem em atmosfera inerte
Produto perigoso - agitar pouco o produto
evitar granulometria fina
Toxicidade => secagem sob vácuo e condensação evita efluentes gasosos
+ FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR
É necessária muita experiência para projectar um secador.
· A teoria de secagem tem normalmente um
papel limitado:
· Convém fazer experiências a uma escala tão próxima quanto possível da desejada.
GÁS (normalmente ar)
• Humidade absoluta do ar (s) = kg água/kg ar seco
• Humidade de saturação – humidade acima da qual há condensação
• Humidade relativa – humidade absoluta/humidade de saturação
• Entalpia específica
• Temperatura de saturação adiabática (h) – temperatura que se atinge deixando o gás quente e o sólido entrarem em equilíbrio (sem que haja outras fontes de calor)
Temperatura de termómetro húmido – temperatura que se obtem
embebendo um termómetro num algodão ou pano molhado, e agitando).
• Humidade de saturação à temperatura de termóm. húmido (sh)
DEFINIÇÕES
SÓLIDO
• Humidade do sólido (X) = kg água/kg sólido seco
• Humidade de equilíbrio (XE) – é a humidade com que fica o sólido ao fim de infinito tempo de secagem.
• Corresponde a um equilíbrio termodinâmico entre o sólido e o gás às condições de secagem.
• É função da temperatura e humidade do gás.
• Humidade livre (f = X – XE) – é a humidade passível de ser eliminada por secagem em determinadas condições.
• Humidade crítica (XC) – é humidade acima da qual a velocidade de secagem é constante em determinadas condições de secagem.
DEFINIÇÕES
CARTA PSICROMÉTRICA
• BALANÇO À ÁGUA
Secagem em modo descontínuo
• Secagem em modo contínuo
________________________________________________________________________________________
• Massa de sólido húmido = M + MX = M (1+X)• Caudal de gás húmido = G (1+s)
BALANÇO DE MASSA A UM SECADOR
ff sGXMsGXM .. 00
tsGXMtsGXM ff .. 00
Secagem em modo contínuo (aquecimento por convecção)
BALANÇO ENTÁLPICO A UM SECADOR
QHGTTCXMTTCM TrefrefOPHrefPSol
00200 )(.)(.
TreffreffOPHfreffPSol HGTTCXMTTCM )(.)(. 2
Treff
Tref HGQHG 0
Treff
Tref HH 0)(0 gásdoadiabáticasaturaçãoQseE
http://rpaulsingh.com/animated%20figures/fig9_5.htm
Num problema de dimensionamento de 1 secador em contínuo de aquecimento por convecção, conhecem-se normalmente à partida Caudal de sólido a secar Humidades de entrada e saída. Qualidade do ar de entrada (definida por 2 variáveis)
Pretendem conhecer-se, em 1º lugar
O caudal de ar e as suas propriedades à saída. Uma equação a usar é, o balanço à água: As incógnitas, contudo, são duas: G e sf.
A outra relação deveria ser uma optimização económica, mas nem sempre se faz.
À falta de tempo para a optimização, e se não houver outra indicação, é razoável usar-se uma temperatura de saída do gás ~ 10ºC acima da temp. de saturação adiabática.
ff sGXMsGXM .. 00
Um caudal de 20 kg/hora de uma suspensão com 10% de sólidos (% sólidos na suspensão) é seca por atomização (spray drying) para obter um pó com com uma humidade final, Xf = 0,05. Utiliza-se ar a 106ºC com uma humidade s0 = 0,008. A suspensão entra a 20ºC. Calcule:
a) A humidade do sólido à entrada.
b) Todas as propriedades do ar.
c) As condições do ar após saturação adiabática.
d) A temperatura de saída do ar se se usar um caudal de entrada de 0,56 m3/s.
e) O caudal de ar quente necessário se se quiser que o ar saia com uma temperatura 10ºC acima da temperatura de saturação adiabática.
f) O caudal mínimo (termodinâmico) de ar que se poderia usar.
PROBLEMA 1
(a)
OBS: humidade pode ser > 1...
(b) 0 = 106ºC & s0 = 0,008 & carta psicrométrica outras propriedades do ar.
(c) seguir linha de saturação adiabática até à saturação h = 36ºC & sh = 0,038
(d)
sf = 0,016
OBS: o gás ganhou pouca humidade o que significa que o caudal é excessivo. Para além disso, o gás sai a 85ºC (verificar na carta psicrométrica!) o que representa um
enorme desperdício de energia.
PROBLEMA 1 (resolução)hkgM OH /189,020
2
hkgM /21,020
92 M
MX OH
hoarkg
skgmkgsmsQG arhúmidoVar
/sec2240
/62,0)008,01/(/12,1/56,0)1/( 330
fs 224005,02008,0224092
(e) & linha sat. adiab.
sf = 0,034
2 x 9 + G x 0,008 = 2 x 0,05 + G x 0, 034
G = 688 kg/h = 0,19 kg/s = 0,18 m3/s (f) G mínimo corresponde a sf = sh
G =0,17 kg/s de ar seco.
• Corresponde a anular a força motriz para a transferência de massa numa zona do secador e portanto a um secador infinitamente grande.
PROBLEMA 1 (resolução)
Chf º4610
Velocidade de secagem, r (kg água/(kg sólido seco.h))
A curva de secagem expressa a velocidade de secagem em função da humidade do sólido (para condições de secagem bem definidas).
Quando as condições se alteram (temperatura, por exemplo), a curva de secagem altera-se.
A curva de secagem pode ser obtida:
(i) a partir da determinação da massa de sólido húmido ao longo da secagem (donde se pode tirar a humidade do sólido em função do tempo).
(ii) a partir de monitorização da humidade do gás à saída (seguida de balanço à água) para cada instante de tempo.
CURVA DE SECAGEM
dt
dXr
Velocidade de secagem, r (kg água/(kg sólido seco.h))
CURVA DE SECAGEM
dt
dXr
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0 0.5 1 1.5
r=d
X/d
t (g
ág
ua/
g s
ólid
o s
eco
/min
)
X (g água/g sólido seco)
curva de secagem
curva de secagem
EX CX
Determine a curva de secagem correspondente aos dados abaixo, indicando a humidade crítica.
Sabe-se que a humidade de equilíbrio é de 4%. O ar de secagem entra com 98ºC e 3% de humidade relativa e sai com 50ºC.
PROBLEMA 2
Tempo (min) 0 10 20 30 40 60 90 120 240 um dia Massa total da amostra (g) 56 51 46 41 37 33 29 28 27 27
tSEC = tCONST + tDECR
&
TEMPO DE SECAGEM (batch)
dt
dXXr )(
0
)(
X
XfSEC Xr
dXt
CONST
CCONST r
XXt
0
f
CXC
XfDECR Xba
Xba
bbXa
dXt ´ln
1
Período de velocidade de secagem constante
rconst = 0,020 kg/kg.min
Período de velocidade de secagem decrescente
r = 0,03 X – 1.2x10-4
tSEC = tCONST + tDECR = 10 + 75 = 85 min
PROBLEMA 4
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0 0.5 1 1.5
r=d
X/d
t (g
ág
ua/
g s
ólid
o s
eco
/min
)
X (g água/g sólido seco)
curva de secagem
curva de secagem
Calcule o tempo de secagem do sólido desde X = 0,9 até X = 0,1, nas condições de secagem da curva de secagem dada.
min75102,11,003,0
102,17,003,0ln
03,0
14
4
decresct
min1002,0
7,09,0
constt
K é uma “constante” que depende da granulometria e porosidade e disposição do sólido, do tipo de contacto gás-sólido, da velocidade do gás, etc. Mas não depende das condições termodinâmicas do gás (temperatura, humidade, entalpia)
h - temperatura de termómetro húmido
“Rigorosamente” a equação só é válida para o período de velocidade de secagem constante
CURVA DE SECAGEM (alteração de condições)I): I - Aquecimento directo
)( hGKr
2/)( 0 f
Corrija a curva de secagem (obtida para um ar de secagem a entrar a 98ºC com HR= 3% e sai a 50 ºC)
para uma situação em que o ar de secagem entra com 80ºC e com a mesma humidade absoluta do ar da experiência, e sai a 50ºC
PROBLEMA 3
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0 0.5 1 1.5
r=d
X/d
t (g
ág
ua/
g s
ólid
o s
eco
/min
)
X (g água/g sólido seco)
curva de secagem
curva de secagem
Situação inicial (curva experimental existente) 0 = 98ºC & %HR = 3% & carta psicrométrica s0 =0,018 h = 38ºC
Situação nova (curva para novas condições) 0 = 80ºC & s0 =0,018 & carta psicrométrica h = 35ºC
Nova velocidade de secagem no período de secagem constante:
• À falta de outra informação mantêm-se XC = 0,7 & XE = 0,03. A curva de secagem fica com o seguinte aspecto
min/017,0)3874(
)3565(kgkgrr inicialnovo
PROBLEMA 3
-0.005
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
X (g água/g sólido seco)
r=d
X/d
t (g
ág
ua/
g s
ólid
o s
eco
/min
)
curva de secagem
nova curva
nova curva
Linear (nova curva)
Linear (nova curva)
PROBLEMA 3
CURVA DE SECAGEM (alteração de condições)I): II - Secagem por condução sob vácuo
)(' SECSUPKr
SUP é a temperatura da superfície de aquecimento
SEC é a temperatura de secagem que está relacionada com o
ponto de ebulição da água à pressão de trabalho.
A espressão acima é muito grosseira.
É muito grosseiramente válida para liofilização (que é uma secagem por condução sob vácuo).
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