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SECAGEM DE SÓLIDOS

SECAGEM DE SÓLIDOS. Material húmido (sólido, pasta, sólido em suspensão) + CALOR Sólido “seco” + vapor DEFINIÇÃO

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SECAGEM DE SÓLIDOS

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Material húmido (sólido, pasta, sólido em suspensão)

+CALOR

Sólido “seco” + vapor

DEFINIÇÃO

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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

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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

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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.

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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

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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)

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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

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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

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SECADOR DE TABULEIROS

http://rpaulsingh.com/animated%20figures/fig12_4.htm

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SECADOR DE ATOMIZAÇÃO

Grandes caudais

Alimentação líquida (solução ou suspensão)

Produto pó

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SECADOR DE ATOMIZAÇÃO

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SECADOR DE ATOMIZAÇÃO

http://rpaulsingh.com/animations/spraydryer.html

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SECADOR DE TELA

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SECADOR DE TRANSPORTE PNEUMÁTICO

Grandes caudais

Alimentação sólida

Granulometria (~ mm)

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SECADOR DE LEITO FLUIDIZADO

http://www.niro.dk/niro/cmsdoc.nsf/WebDoc/ndkk5hvecqCONTACTFLUIDIZERF

Grandes caudais

Alimentação sólida

Granulometria (~ mm ~cm)

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SECADOR ROTATIVO

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• • ~ Grandes caudais• Elevado tempo de residência• Granulometria grossa ( ~ cm)

SECADOR ROTATIVO

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SECADOR DE TAMBOR

Alimentação líquida

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SECADOR BICÓNICO

Batch

Alimentação sólida ·Granulometria (muito flexível)·Aquecimento indirecto

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(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

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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

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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

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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

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• 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

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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

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Escala -

pequena capacidade ==> batch

grande capacidade ==> contínuo

maiores capacidades …................

Rotativo

Leito fluidizado

Transporte pneumático

Spray

+ FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR

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+ 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

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+ 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

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+ 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.

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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

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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

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CARTA PSICROMÉTRICA

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• 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

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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

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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

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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

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(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

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(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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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-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

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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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