Relatório-1-OPII

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

CAMPUS DIADEMA

Diadema – SP

2º Semestre / 2015

SECAGEM

UC: Laboratório de Operações Unitárias II

Professor: Priscila Carvalho Veggi

Equipe: Ana Cláudia Abreu RA: 61161

Carolina Proença RA: 61235

Eduardo Lyra RA: 78788

Fabrício Cravo RA: 78597

Jéssica Marques RA: 78567



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Sumário

Resumo ............................................................................................................................ 2

1. Objetivos .................................................................................................................. 1

2. Introdução ................................................................................................................ 1

2.1. Secagem ............................................................................................................. 1

2.1.1. Métodos de secagem ................................................................................... 2

2.1.2. Curvas de secagem ..................................................................................... 4

2.2. Transferência de calor e massa .......................................................................... 4

2.2.1. Transferência de calor ................................................................................ 5

2.2.2. Transferência de massa ............................................................................... 5

2.3. Carta Psicrométrica ............................................................................................ 6

2.3.1. Temperatura de bulbo seco ......................................................................... 6

2.3.2. Temperatura de bulbo úmido ...................................................................... 6

2.3.3. Umidade absoluta e relativa ....................................................................... 6

2.4. Conteúdo de umidade e velocidade de secagem ................................................ 7

3. Procedimento Experimental ................................................................................... 7

3.1. Materiais ............................................................................................................ 7

3.2. Métodos ............................................................................................................. 8

4. Resultados e Discussão ............................................................................................ 9

5. Conclusão ............................................................................................................... 14

6. Sugestões ................................................................................................................ 15

7. Referências Bibliográficas .................................................................................... 15



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Resumo

Secagem é uma operação unitária de transferência de massa envolvendo a

remoção de umidade ou outro solvente de um sistema sólido. Esses líquidos podem ser

removidos de sólidos mecanicamente por meio do uso de prensas ou centrífugas e por

vaporização térmica, neste caso com auxílio de estufa. O método usado para medir o

quanto foi removido de água das fatias de maçã consistiu em colocá-las em estufa

previamente aquecida a 70º C, realizando a pesagem das mesmas em intervalos de

tempo pré-definidos. Depois da obtenção desses dados, as fatias foram deixadas por

mais 18 horas na estufa e então retiradas definitivamente e pesadas novamente.

Medindo-se então a umidade da estufa, velocidade do ar e conhecendo a umidade do ar,

foi determinado o conteúdo de umidade em base seca, e a massa de água nas maçãs em

função do tempo. Pôde-se perceber que a taxa de transferência de massa de água é

muito maior nos primeiros minutos da secagem quando comparada aos minutos finais.



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1. Objetivos

Este experimento teve como objetivo determinar a cinética de secagem,

confeccionar as curvas de secagem da maçã, bem como determinar as condições do ar

de secagem, como temperatura, velocidade e umidade relativa. Além disso, determinar

os sólidos totais e quantidade de água eliminada ao término do processo de secagem.

2. Introdução

Na indústria química, a secagem é um processo indispensável. Isso se deve ao

fato de ao fato de a presença de água favorecer a proliferação de microrganismos e

consequente inutilização do produto e, também, aumenta o volume do produto,

elevando preços de estocagem e transporte. Dessa maneira, a retirada dessa água é

essencial. A secagem é utilizada em diversas indústrias: de cerâmica, alimentos, papel e

celulose, polímeros, etc. (PARK, ANTONIO, OLIVEIRA, & PARK, 2007).

2.1. Secagem

A secagem pode ser definida como a retirada de uma substância volátil, como a

água, de um produto sólido por meio de duas etapas simultâneas. A primeira etapa é a

transferência de calor do ambiente para o produto e a segunda é a transferência de água

do produto para o ar, através de um fluxo de vapor com temperatura inferior à

temperatura de ebulição da água. (Celestino, 2010) (Fernandes, 2008) (Zen, 2010).

O movimento de água do interior do material até à superfície é analisado pelos

mecanismos de transferência de massa, que indicará a dificuldade de secagem nos

materiais. Durante a secagem, para que haja a evaporação de água da superfície do

material ao ambiente, a água deve ser transportada do interior do sólido até a superfície.

(PARK, ANTONIO, OLIVEIRA, & PARK, 2007). Isso pode ser observado na Figura

1.



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Figura 1. Diagrama de migração de sólido no interior de um sólido.

Fonte: (PARK, ANTONIO, OLIVEIRA, & PARK, 2007).

2.1.1. Métodos de secagem

Muitos são os métodos usados para o fornecimento de calor na operação de

secagem, sendo eles subdivididos em secagem natural e secagem artificial. A secagem

natural é feita usando a radiação solar como fonte de calor e o vento como fonte de

fluxo de ar, sendo que a temperatura ambiente deve estar a 35 a 40 ºC, a umidade

relativa do ar baixa e com baixo índice de poluição. Já a secagem artificial tem como

característica principal a utilização de equipamentos especiais para a produção de calor

e fluxo de ar. Por exemplo, tem-se o método de secagem por convecção, no qual o ar

preaquecido passa sobre ou através do produto, permitindo uma troca térmica por

convecção de forma a retirar a água em forma de vapor. (Celestino, 2010)

A secagem artificial pode ser dividida em diversos tipos. Alguns deles estão

citados abaixo: (PARK, ANTONIO, OLIVEIRA, & PARK, 2007).

1. Secagem por convecção: Este é um dos métodos mais comuns, onde o calor

sensível é transferido para o material por convecção. O agente de secagem (ar pré-

aquecido) passa sobre ou através do sólido, evaporando a umidade e

transportando-a para fora do secador.

2. Secagem por condução: Se o material a ser seco é muito fino ou muito úmido,

este método é o mais apropriado. O calor é fornecido ao material úmido por

condução (contato) de superfícies aquecidas, que suportam ou confinam o

material, tais como: bandejas, placas, cilindros ou paredes de secadores.

3. Secagem por radiação: A energia térmica pode ser suprida através de vários

tipos de fonte eletromagnética.



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4. Secagem por liofilização: Este método baseia-se na sublimação da água

congelada do material colocado em uma câmara de secagem onde a pressão é

abaixo do ponto tríplice da água.

5. Secagem em leito fluidizado: Este método consiste na imersão do corpo sendo

seco em um leito de uma substância dissecante, fluidizada pelo ar.

2.1.1.1. Tipos de secadores

Devido à grande variedade de tipos de produtos que devem ser secos por

diferentes métodos, existe também uma variedade de projeto de secadores.

NONHEBEL e MOSS (1971) classificam os secadores segundo o método de operação,

como mostrado na Figura 2.

Figura 2. Classificação dos secadores baseado no método de operação.




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2.1.2. Curvas de secagem

Os produtos são muito diferentes entre si, devido a sua composição, estrutura, e

suas dimensões. As condições de secagem são muito diversas, de acordo com as

propriedades do ar de secagem e a forma como se faz o contato ar-produto.

Uma vez que o produto é colocado em contato com ar quente, ocorre uma

transferência do calor do ar ao produto sob o efeito da diferença de temperatura

existente entre eles. Simultaneamente, a diferença de pressão parcial de vapor d'água

existente entre o ar e a superfície do produto determina uma transferência de matéria

(massa) para o ar. Esta última se faz na forma de vapor de água. Uma parte do calor que

chega ao produto é utilizada para vaporizar a água. (PARK, ANTONIO, OLIVEIRA, &

PARK, 2007).

Uma curva exemplo é mostrada na Figura 3.

Figura 3. Exemplo de curva de secagem.


2.2. Transferência de calor e massa

Como citado anteriormente, a secagem depende tanto da transferência de calor

como da de massa. Os itens abaixo são baseados em (INCROPERA e DEWITT, 2008).



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2.2.1. Transferência de calor

Há três mecanismos conhecidos para a transferência de calor: condução,

convecção e radiação.

A condução ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em

contato. Na condução, o calor é transferido por meio da colisão entre átomos e

moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas para as mais baixas.

A convecção ocorre somente em líquidos e gases. A transferência de calor

dentro de um fluido se dá por meio de movimentos do próprio fluido.

A radiação consiste na troca de calor por meio de ondas eletromagnéticas.

2.2.2. Transferência de massa

A transferência de massa possui analogias com a transferência de calor quando

se refere ao ponto de origem física e das equações de taxa governantes.

O transporte de espécies por difusão em um ambiente ocorre quando há

diferença de concentração entre duas partes do sistema. Assim, há um gradiente de

concentração, ocorrendo a difusão até o sistema entrar em equilíbrio, como mostrado na

Figura 4.

Figura 4. Transferência de Massa

Fonte: (TANNOUS, K.)

A difusão ocorre mais facilmente em gases do que em líquidos e, mais

facilmente, em líquidos do que em sólidos.

O fluxo difusivo é calculado pela primeira lei de Fick (Equação 1):



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𝐽 = −𝐷𝑑𝐶

𝑑𝑥 Equação 1

2.3. Carta Psicrométrica

O estudo das misturas de gás e vapor de um líquido denomina-se psicrometria e

especificamente para a secagem, analisa-se a mistura gasosa de ar e vapor de água.

A carta psicrométrica é de grande importância, já que a partir de duas

propriedades quaisquer pode-se determinar o estado da mistura ar-vapor de água, ou

seja, todas as demais propriedades podem ser encontradas na carta. (PARK, ANTONIO,

OLIVEIRA, & PARK, 2007).

Algumas propriedades precisam ser conhecidas para a utilização da carta, elas

são vistas a seguir com base em (PARK, ANTONIO, OLIVEIRA, & PARK, 2007).

2.3.1. Temperatura de bulbo seco

É a temperatura indicada pelo termômetro comum.

2.3.2. Temperatura de bulbo úmido

É a temperatura indicada por um termômetro cujo bulbo está coberto por uma

mecha de pano embebido em água.

A diferença entre a temperatura de bulbo seco e a temperatura de bulbo úmido

denomina-se depressão de bulbo úmido.

Quanto menor a umidade relativa do ar, maior será a depressão do bulbo úmido.

Considerando o ar saturado, a depressão do bulbo úmido é nula.

2.3.3. Umidade absoluta e relativa

Enquanto a umidade absoluta é a relação entre a massa de vapor de água e a

massa de ar seco num mesmo volume de mistura, a umidade relativa é a relação entre a

fração molar do vapor de água na mistura e a fração de vapor de água numa mistura

saturada à mesma pressão e temperatura.



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2.4. Conteúdo de umidade e velocidade de secagem

Ao se considerar que o sólido que passará pelo processo de secagem é composto

apenas de matéria orgânica e água, pode-se obter o conteúdo de umidade tanto em base

úmida como em base seca, representadas pela Equação 2 e pela Equação 3,

respectivamente.

𝑊 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 ú𝑚𝑖𝑑𝑜= (

𝑘𝑔 á𝑔𝑢𝑎

𝑘𝑔 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙)

Equação 2

𝑋 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜= (

𝑘𝑔 á𝑔𝑢𝑎

𝑘𝑔 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 ú𝑚𝑖𝑑𝑜)

Equação 3

A partir dessa consideração, pode-se calcular a velocidade de secagem do

material relacionando a massa seca de sólido, a área do sólido exposta à secagem, além

da relação do conteúdo de umidade em função do tempo, como apresentado pela

Equação 4.

𝑅 = − 𝑚

𝐴 𝑑𝑋

𝑑𝑡 Equação 4

Em que:

R = velocidade de secagem ou taxa de secagem (kg água/h.m2)

m = massa de sólido seco (kg)

A = área superficial exposta a secagem (m²)

X = conteúdo de umidade em base seca (kg água/kg sólido seco)

t = tempo de secagem (h)

3. Procedimento Experimental

Para realizar o experimento utilizou-se os materiais e procedimento mencionados

abaixo.

3.1. Materiais

Os materiais necessários na prática estão listados abaixo:



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- Fatias de maçã;

- Faca;

- Paquímetro;

- Balança semi-analítica;

- Estufa com circulação forçada de ar;

- Termômetro de bulbo úmido;

- Anemômetro.

3.2. Métodos

Para o procedimento de cinética de secagem utilizou-se o seguinte procedimento:

1. Ligou-se a estufa em 70 ºC;

2. O termômetro de bulbo úmido foi inserido dentro da estufa para tomar medidas da

temperatura de bulbo úmido ao longo do processo de secagem;

3. Cortou-se 552,8g de “maças” em fatias de em média 3,53 mm de espessura,

descartando as sementes;

4. Mediu-se espessura e diâmetro de algumas amostras

5. Preparou-se a balança para pesagem;

6. Pesou-se a bandeja da estufa e tarar a balança;

7. As amostras foram colocadas em papel alumínio e sobre a bandeja da estufa;

8. Pesou-se as amostras sobre as bandejas;

9. A variação das massas das amostras foi medida da seguinte forma: inicialmente a

cada intervalo de 5 minutos; depois aumentou-se o intervalo de tempo entre as medidas

conforme diminuição da diferença entre cada medida, os resultados de massa e tempo

foram anotados.

10. A velocidade do ar na entrada da estufa foi aferida utilizando um anemômetro;



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11. Após estabilização do peso, as amostras foram deixadas por 18 horas na estufa a 70

ºC.

4. Resultados e Discussão

Para a realização do experimento de secagem, primeiramente, foram cortadas as

maçãs em rodelas circulares. No intuito de realizar o cálculo da taxa de secagem foi

necessário calcular a área das rodelas de maçãs. Para isso, mediu-se o diâmetro e a

espessura das maçãs como apresentado na Tabela 1e na Tabela 2.

Tabela 1. Diâmetro das Maçãs

Maçãs Diâmetro das

Maçãs (mm)

1,2,3 65 68 68

4,5,6 71 65 67

7,8,9 68 70 66

Tabela 2. Espessura das Maçãs

Maçãs

Espessura das

Maçãs (mm)

1,2,3 4.9 4.5 4.3

4,5,6 3.1 3.5 3.6

7,8,9 2.5 2.6 2.8

A partir das tabelas, é possível observar que a espessura é muito menor que o

diâmetro das rodelas de maçã. Dessa maneira, pode-se desconsiderar a área lateral no

cálculo da taxa de secagem. Outros motivos para essa desconsideração são o fato de que

essa área não está completamente exposta ao meio de troca mássica (devido ao contato

com outras maçãs) e ainda essa troca é dificultada pela presença da casca.

Com esses dados foi possível o cálculo dos valores médios e, com esses valores

calcular a área média:



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Tabela 3. Valores Médios

Diâmetro

Médio (mm)

Espessura

Média (mm)

Área Média

(mm)

Área Lateral Média

(mm)

6.76E+01 3.53E+00 3.58E+03 7.50E+02

A partir dos dados de temperatura do bulbo úmido e temperatura do bulbo seco

foi possível calcular a umidade relativa da estufa utilizando a carta psicrométrica. Junto

com essa umidade são apresentados outros dados relevantes ao experimento como a

umidade do ar no dia em que foi realizado o experimento e a velocidade do ar na estufa.

Esses dados são apresentados na Tabela 4.

Tabela 4. Umidade do Ar, umidade na estufa e velocidade do ar

Umidade Ar Umidade Estufa Velocidade Ar (m/s)

68% 25% 1.6

A partir das pesagens realizadas durante o processo de secagem foi possível determinar

o conteúdo de umidade em base seca, e a massa de água nas maçãs em função do

tempo. Os resultados são apresentados na Tabela 5.

Tabela 5. Massa de água em função do tempo.

Tempo (mim) Massa de Água

(g)

Conteúdo de

Secagem (Base

Seca)

Conteúdo de

Secagem (Base

Úmida)

0.00E+00 1.04E+02 5.12E+00 8.37E-01

5.00E+00 9.98E+01 4.87E+00 7.95E-01

1.00E+01 9.49E+01 4.58E+00 7.48E-01

2.00E+01 8.57E+01 4.04E+00 6.60E-01

3.00E+01 7.59E+01 3.46E+00 5.66E-01

4.50E+01 6.34E+01 2.73E+00 4.46E-01

6.00E+01 5.18E+01 2.05E+00 3.34E-01

7.50E+01 4.23E+01 1.49E+00 2.43E-01



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9.00E+01 3.54E+01 1.08E+00 1.77E-01

1.20E+02 2.52E+01 4.82E-01 7.88E-02

1.08E+03 1.70E+01 0.00E+00 0.00E+00

Com essa tabela foi possível criar o gráfico do conteúdo de secagem X em

função do tempo em relação a base seca:

Figura 5. Conteúdo de secagem em função do tempo (base seca).

E o mesmo foi feito para base úmida:

0,00E+00

1,00E+00

2,00E+00

3,00E+00

4,00E+00

5,00E+00

6,00E+00

0,00E+002,00E+014,00E+016,00E+018,00E+011,00E+021,20E+021,40E+02

Co

nte

úd

o d

e U

mid

ade

Tempo (min)



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Figura 6. Conteúdo de secagem em função do tempo (base úmida).

Utilizando a Equação 4 foi possível calcular a taxa de secagem. Para o cálculo

da derivada foi feita uma aproximação, calculou-se o delta entre a massa e o tempo do

valor seguinte. Os resultados se encontram na Tabela 6.

Tabela 6. Taxa de secagem por tempo

Tempo (mim) Taxa de Secagem

(kg/(min*m^2)

0.00E+00 3.40E-01

5.00E+00 3.87E-01

1.00E+01 3.64E-01

2.00E+01 3.87E-01

3.00E+01 3.29E-01

4.50E+01 3.06E-01

6.00E+01 2.50E-01

7.50E+01 1.82E-01

9.00E+01 1.34E-01

1.20E+02 4.42E-02

inf 0

0,00E+00

1,00E-01

2,00E-01

3,00E-01

4,00E-01

5,00E-01

6,00E-01

7,00E-01

8,00E-01

9,00E-01

0,00E+00 2,00E+01 4,00E+01 6,00E+01 8,00E+01 1,00E+02 1,20E+02 1,40E+02

Co

nte

úd

o d

e U

mid

ade

Tempo (mim)



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Com os valores obtidos foi feito o gráfico da curva de secagem, apresentado na

Figura 7.

Figura 7. Curva de Secagem.

Os resultados obtidos possuem os padrões esperados com a velocidade de

secagem diminuindo conforme à evaporação da água e com o tempo. Inicialmente,

pode-se perceber que a taxa de transferência de massa é bem mais intensa. Isso pode ser

facilmente explicado pela lei de Flick, segundo a qual a transferência de massa é

proporcional ao gradiente de concentração. No início do processo, o gradiente de

concentração na maçã é bem maior do que no fim do processo, o que resulta em uma

maior taxa.

Observando mais atentamente a Figura 5 e a Figura 6, percebe-se que,

inicialmente, o teor de umidade das maçãs decresce linearmente em função do tempo

até atingir um extremo e a partir de aí apresentar um comportamento assintótico em

relação ao eixo das abcissas. Esse comportamento se deve ao fato de que as maçãs

estão quase secas. Por essa razão, o fluxo difusivo é drasticamente reduzido, tornando o

processo de secagem cada vez mais lento. Esse comportamento é refletido na Figura 7

que mostra que os menores conteúdos de umidade apresentam as menores taxas.

0,00E+00

5,00E-02

1,00E-01

1,50E-01

2,00E-01

2,50E-01

3,00E-01

3,50E-01

4,00E-01

4,50E-01

0,00E+00 1,00E+00 2,00E+00 3,00E+00 4,00E+00 5,00E+00 6,00E+00

Vel

oci

dad

e d

e Se

cage

m (

kg/(

min

*m^2

))

Conteúdo de Umidade



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No final da Figura 7, nota-se uma grande discrepância de resultados referentes

aos dados finais do experimento. Isso se deve, principalmente, a aproximação utilizada

para o cálculo, na qual a derivada foi aproximada como um delta. A curva de taxa de

secagem apresenta um padrão linear apenas para valores menores de conteúdo de

umidade. Assim, com o aumento da quantidade de água da maçã a fuga do padrão linear

acaba aumentado os erros associados a essa aproximação. Uma forma de corrigir esse

erro seria aproximar uma função para os dados e derivar essa função para a expressão

da taxa.

Infelizmente a equação utilizada para cálculo da taxa de secagem não possui

nenhuma constante experimental para comparação com a bibliografia, sendo então só

possível analisar os padrões da curva de secagem. Os padrões condizem com a

bibliografia, ou seja, para os gráficos de tempo versus conteúdo de umidade foi

apresentada a curva assintótica em x. Para os gráficos da taxa de secagem foi

apresentada a curva inicialmente linear e saturando em valores mais altos de umidade na

maçã.

5. Conclusão

A secagem é uma operação de transferência de massa fundamental a diversas

áreas da engenharia química. Ela é usada para diminuir o custo de transporte de

matérias-primas, ou mesmo cumprir especificações a respeito da matéria prima. O

objetivo do experimento foi concluído com sucesso, após a determinação da cinética da

secagem de fatias de maçã. Após a realização do experimento já foi possível identificar

uma taxa maior de secagem no início do processo comparada com a taxa final. Em

seguida foram feitos os cálculos e foi possível confirmar que a taxa de secagem foi

reduzida em relação ao tempo. A taxa de secagem em 5 minutos, por exemplo, foi de

0.387 Kg min-1 m2 -1 já a taxa em 90 min foi muito menor; 0.134 Kg min-1 m2 -1. Pôde-se

determinar também que inicialmente (até os primeiros 60 minutos aproximadamente) do

experimento o teor de umidade decresceu linearmente com o tempo. Após essa faixa

inicial, o teor de umidade começou a reduzir cada vez mais lentamente. A curva de

secagem das fatias de maça apresentou também um comportamento esperado, pois



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quanto maior o conteúdo de umidade da maçã maior foi a velocidade de secagem (em

0.0042 Kg min-1 m2 -1 teve-se um conteúdo de secagem (base seca) =0.042, e quando a

velocidade de secagem foi de 0.387 Kg min-1 m2 -1 o conteúdo de secagem (base seca) =

4.87).

6. Sugestões

Usar um aparelho específico para se medir a umidade relativa do ar no momento

e no mesmo local em que se está sendo feito o experimento. Para o corte das fatias de

maçã substituir a faca por um fatiador para que haja uma padronização mais exata.

7. Referências Bibliográficas

CELESTINO, S. M. C. Princípio de secagem de alimentos. Planaltina. 2010.

FERNANDES, N. J. Estudo da fluidodinâmica e da secagem de um secador

rotatório da indústria de fertilizantes. Uberlândia. 2008.

INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e

Massa. 6ª. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

PARK, K. J. et al. CONCEITOS DE PROCESSO E EQUIPAMENTOS DE

SECAGEM. Campinas. 2007.

TANNOUS, K. Capítulo I: Fundamentos da transferência de massa. Campinas.

2011. Disponível em: <

http://www.ocw.unicamp.br/fileadmin/user_upload/cursos/EQ741/cap1_parteI.pdf>

ZEN, F. G. Estudo da secagem convectiva do bagaço de mirtilo visando minimizar

a perda de compostos antoiânicos. Porto Alegre. 2010.

Documents

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