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SECADORESCálculo de projeto para secadores

contínuosDisciplina: Operações Unitárias IIDocente: Daiane Discentes: Renato Leitão e Stéfano Praxedes

Tópicos a serem apresentados

Princípios de secagem

Conceituação geral

Mecanismos de migração de umidade

Classificação

Estudo de caso 1: Secador Rotativo

Estudo de caso 2: Secador em Leito Fluidizado

Curva de secagem


Princípios de secagem

A secagem tem a finalidade de eliminar um líquido volátil contido num

corpo não volátil, através de evaporação. Portanto, a secagem de nosso

interesse é caracterizada pela evaporação da água do material.

Durante a secagem é necessário um fornecimento de calor para evaporar a

umidade do material e também deve haver um sorvedor de umidade para

remover o vapor água, formado a partir da superfície do material a ser seco.


Mecanismos de migração da umidade O movimento de água do interior do material até à superfície é analisado pelos mecanismos de TM, que indicará a dificuldade de secagem

o Difusão líquida

o Difusão de vapor

o Escoamente de um líquido e de vapor


Curva de secagemDiminuição do teor de água do produto durante a secagema curva obtida pesando o produto durante a

secagem numa determinada condição de secagem.

Representa a variação da

temperatura do produto durante a

secagem.

Representa a velocidade (taxa) de secagem do produto

(variação do conteúdo de umidade do produto por tempo, dX/dt em relação à evolução do

tempo t), isto é, é a curva

obtida diferenciando a curva (a)

Critérios para Classificação

Devido à grande variedade de tipos de produtos que devem ser secos por diferentes métodos, existe também uma variedade de projeto de secadores.

Os critérios para se classificar os secadores são muitos.

Classificação: Método de Operação

Tipos de Secadores de Grãos: Secadores Contínuos

O grão fica constatemente sob ação do calor, até que seu teor de umidade atinja um valor desejado.

Há um fluxo constante de produto no interior do secador e, simultaneamente, há grãos úmidos entrando, grãos em fase de secagem e grãos secos e frios sendo descarregados.

A secagem ocorre, geralmente, em duas etapas bem definidas:• Primeira etapa: a massa de grãos é atravessada por um fluxo de

ar quente, que tem por finalidadade a secagem propriamente dita;

• Segunda etapa: o produto é atravessado por um fluxo de ar com temperatura ambiente, que tem como finalidade resfriá-lo.

O produto passa por um mecanismo de regulagem de fluxo que determinará o tempo de exposição ao ar de secagem (tempo de residência).

A secagem contínua é indicada para grande quantidade de produto e tem como vantagem a redução de tempo total de secagem (eliminação da operação de carga /descarga).

No caso da secagem de sementes em geral, torna-se difícil operar os secadores contínuos, uma vez que a temperatura do ar de secagem deve ser menor do que aquela utilizada para grãos (trincas nos grãos).

Tipos de Secadores de Grãos: Secadores Contínuos

Estudo de caso – Secadores rotativos

Principais usos:

Secagem de pastas que não formam aglomerado ( ex.: massa de

bolo Vilma, alguns catalisadores.) Sólidos de fluxo livre (ex.: grãos em geral, minério)

Fatores importantes a serem considerados na hora da seleção de

um secador Modo pelo qual o calor é fornecido ao material (Condução,

Convecção ou Radiação) Temperatura e pressão de operação ( altas ou baixas

temperaturas; secagem atm ou a vácuo) Maneira pela qual o material se comporta dentro do secador

( tipo)


Diagrama esquemático de um secador rotativo


Descrição do problema

Para a secagem de pellets de catalisador, os engenheiros de uma

determinada indústria decidiram que um secador rotativo direto será

adequado, e investigaram o desempenho do secador em uma planta piloto,

afim de obter dados para o aumento de escala. A produção F deverá ser de

350 kg/h em base seca. Os pellets tem forma cilíndrica, aproximadamente 1

cm de comprimento e 1 cm de diâmetro, a sua densidade aparente ρb é

570 kg/m³ , o calor específico Cps é 1kJ/kg K, e o teor de umidade X0 ,

de acordo com resultados anteriores de funcionamento da unidade fabril, é

de 0,65 kg/kg db. O produto final, de modo a ser estável tem de ter um

conteúdo de unidade X de até 0,05 kg/kg db. O material não adere ao

secador, contudo é sensível a altas temperaturas. A temperatura inicial

T1ar não pode exceder 150-179 °C. O fluido de aquecimento será o ar. Um

permutador de calor de vapor-ar será usado para o aquecimento. A

velocidade do ar deve ser controlada para não arrastar produto. A Tab.1

apresenta os parâmetros de operação da planta piloto.

Estudo de caso – Secadores rotativos Modelagem do problema

T1ar=160 °C

T2ar=65 °C

Tw = 40 °C

uperm = 3 kg/m²s

τ=0.35h

T2p=45 °C

T1p=25 °C


Estudo de caso – Secadores rotativos Equações de projeto

Balanço de Massa Massa total alimentada: Massa total na saída do secador: Taxa de evaporação de água mw (kg/h):

Onde,F: produção em base secaX0: teor de umidade na entrada do secadorX: teor de umidade na saída do secador

Balanço de Energia

O calor fornecido nos secadores são utilizados para 5 princípios diferentes na operação unitária de secagem, são eles:

01 FXF F FXF F2

21w F-F m

Estudo de caso – Secadores rotativos Primeiro: Para aquecer a água contida no produto

, onde Cpw é o calor específico da água

Segundo: Para evaporar a água que sai do material.

, onde ΔHw é o calor de vaporização da água (kJ/kg)

Terceiro: Para aquecer o vapor da temperatura inicial de bulbo úmido até a temperatura de saída do ar.

, onde Cpv é o calor específico do vapor

Quarto: Para aquecer o material sólido de sua temperatura inicial até a temperatura de saída.

, onde Cps é o calor específico do catalisador)T-(TFC Q m1m2ps4

)T-(TCm Q 1pwpww1

)T-(TCm Q w2arpvw3

Hm Q ww2

Estudo de caso – Secadores rotativos Quinto: Para aquecer a água que permanece na saída do produto

Assim, o calor total transferido para o produto é determinado adicionando o fator corretivo α:

α: é um fator que compensa as perdas de calor devido à condução entre a superfície externa do secador e o ar atmosférico, devido a radiação. *Estas perdas são estimadas em cerca de 7,5-10% do consumo de calor.

Equações de dimensionamento Taxa de massa de ar G necessária afim de transferir uma quantidade

suficiente de calor para secagem:

)( 21, arararp TTC

QG

)QQQQ)(Q(1Q 54321

)T-(TFXC Q m1m2pw5

Estudo de caso – Secadores rotativos Diâmetro D do secador:

Volume V do secador:

Comprimento L do secador:

* Na prática uma relação L/D deve estar entre 4-10 para um ótimo desempenho do secador.

permju

GD

3600

4

sH

FV

2

2

4

D

VL

Hs

: Tempo de residência do produto

: Densidade aparente do catalisador

: Resistência à secagem (demora)

Estudo de caso – Secadores rotativos Equações de desempenho

Numero de unidades de transferência de calor NT:

Quantidade de calor fornecida ao permutador de calor para aquecimento do fluxo de ar da temperatura atmosférica T0 para a temperatura de entrada no secador, T1ar.

Eficiência térmica :

war

warT TT

TTN

2

1ln

)( 01, TTGCQ ararphe

heth Q

QQQQQn 54321

Estudo de caso – Secadores rotativos Resultado dos cálculos

Estudo de caso – Secadores rotativos Resultado dos cálculos

Aquecendo a massa de catalisador de 25 – 40 °C

350 450 550 700 8500

10

20

30

40

50

60

70

80

90

33

42

51

66

80

Redução energética no cooler

kg/h db

kJ/

h @Planilha

Estudo de caso – Secadores em Leito Fluidizado

• Um secador de leito fluidizado contínuo é um equipamento no qual uma alimentação contínua de material particulado úmido é seco por contato com ar aquecido que é soprado através do leito deste material para mantê-lo em um estado fluidizado.

• A secagem em leito fluidizado depende de fluidização o teor de umidade da alimentação é geralmente mais baixo que os usados em secadores rotativos e do tipo “flash”.

• Dois tipos principais de secadores de leito fluidizado são encontrados: um tipo circular com um leito profundo (0,5 a 2,0m); e um tipo retangular com um leito de até 0,2m de profundidade.


Secadores Circulares• Temperaturas elevadas na entrada

(800°C); usado para secar carvão, calcário, escória de alto forno.

• A intensidade do fluxo de ar deve ser tal que supere a velocidade terminal do produto, provocando turbulência e carreando este.

• A composição da corrente de produto é a igual a composição do leito.

• Incrustações não passíveis de ocorrer devido o conteúdo do secador esrtá seco


Obter 40 t/h de areia seca em um secador de leito fluidizado funcionando continuamente. A alimentação contém 5% de água em massa e está a 10°C. A umidade do produto deve ser menor que 0,1% O tamanho médio de partícula é 400μm. O calor específico da areia é 0,84 kJ/kg K. O ar ambiente é aquecido a 750°C pela queima de gás natural. O calor específico do ar é 1,05 kJ/kgK.

Solucão

• Balanço de massa para água e areia:

• Quantidade de água evaporada é dada por:mH2O,Evap = 2103 – 40 = 2063 kg/h

ENTRADA

SAÍDA

ÁGUA 2103 40

AREIA 39960 39960

TOTAL 42063 40000


• Balanço de energia:*Tomar a temperatura de saída do gás e do produto como sendo 90°C

1. Evaporar a água / Aquecer o vapor / Aquecer a água contida no produtoQ1 = mH2O,Evap(ΔHH2O + CP,V.T2AR – CP,H2O.T1H2O)Q1 = 2063(2504 + 1,886.90 – 4,19.10) = 5,43.106 kJ/h

2. Aquecer a areia de sua temperatura inicial até a temperatura de saída.Q2 = mAREIA.CP,AREIA(T2P – T1P)Q2 = 39960.0,84(90 – 10) = 2,69.106 kJ/h

3. Aquecer a água que permanece na saída do produtoQ3 = mH2O,S(T1H2O – T2H2O)Q3 = 40.4,19(90 – 10) = 13,4.103 kJ/h

4. Calor necessário para o processoQTOTAL1 = Q1 + Q2 + Q3 = 8,2.106 kJ/h


5. QTOTAL1 é transferido pelo agente de secagem que é resfriado de 750 para 90°C.*O agente de secagem fornece calor para perdas por convecção e radiação (~1,1).

- Essa é a quantidade de calor que é transferida da combustão do gás natural para o agente de secagem.

6. Quantidade de calor utilizado para evaporar a água

7. Ventilador de ExaustãoQuantidade de ar a ser utilizada:

O Ventilador de exaustão puxa o ar quente e úmido para os ciclones. A densidade do ar a 90°C é 0,97 kg/m3. A vazão de ar no escoamento livre é:

*O fator 1,1 é usado para levar em consideração a atração de ar de ingresso

A vazão de vapor de água na seção de escoamento livre é:

A vazão total de gás na seção de escoamento livre é 18.103 m3/h

8. Diâmetro do Secador de Leito Fluidizado*Para evitar o entranhamento excessivo de poeira, uma velocidade superficial de gás um pouco acima do leito fluidizado de 0,8 m/s é considerada. Esta velocidade é reduzida para 0,4 m/s na seção de desacoplamento. O cálculo do diâmetro do secador é dado por:

Estudo de caso – Secadores rotativos Conclusão

BIBLIOGRAFIAS CONSULTADAS

[1] PERRY, R. H., BENSKOW, L. R., BEIMESCH, W. E., et al. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 8ed. Nova Iorque: McGraw-Hill, 2008.[2] KERN, Donald Q. Process Heat Transfert, McGraw-Hill Kogakusha, Tóquio, 1950, 871p. [3] INCROPERA F.P.; DE WITT D.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Willey & Sons, New York, 3ª ed, 1990. 970p. [4] KEEY, R. B. Introduction to industrial drying operations. Oxford: Pergamon Press, 1978. [5] PARK, ANTONIO, OLIVEIRA e PARK. Conceitos de Processo e Equipamentos de Secagem. Disponível em: http://www.feagri.unicamp.br/ctea/manuais/concproceqsec_07.pdf[6] SILVA, AFONSO e DONZELLES. Secagem e Secadores. Disponível em: ftp://ftp.ufv.br/dea/poscolheita/Livro%20Secagem%20e%20e%20Armazenagem%20de%20Produtos%20Agricolas/livro/mb_cord/mb1/cap5.pdf

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