SECAGEM
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SECAGEM DE SÓLIDOS DEFINIÇÃO Material húmido (sólido, pasta, sólido em suspensão) + CALOR Sólido “seco” + vapor OBJECTIVOS 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 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. EQUIPAMENTO DE SECAGEM O equipamento tem que: 1) Fornecer calor 2) Remover vapor de água 3) 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 O equipamento tem que: 1) Fornecer calor 2) Remover vapor de água 3) 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 calor 2) Remover vapor de água 3) 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 TIPOS DE SECADORES 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. 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 Grandes caudais Alimentação sólida Granulometria (~ mm ~cm) http://www.niro.dk/niro/cmsdoc.nsf/WebDoc/ndkk5hvecqCONTACTFLUIDIZERF SECADOR ROTATIVO SECADOR ROTATIVO • • ~ • • Grandes caudais Elevado tempo de residência Granulometria grossa ( ~ cm) 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 ESCOLHA DO TIPO DE SECADOR 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) A FORMA DA ALIMENTAÇÃO PODE SER MODIFICADA SÓLIDO FIBROSO MOAGEM SÓLIDO GRANULAR MOAGEM GRANULAÇÃO PASTA DURA COMPRESSÃO p/ ex, EXTRUDIR PASTA EVAPORAÇÃO, CENTRIFUGAÇÃO, FILTRAÇÃO, OU OUTRA SUSPENSÃO DE SÓLIDOS EVAPORAÇÃO LÍQUIDO PASTA + FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR pequena capacidade ==> batch grande capacidade ==> contínuo Escala - Rotativo maiores capacidades …................ Leito fluidizado Transporte pneumático Spray + FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR secagem sob vácuo à temperatura secador em co-corrente boa mistura p/evitar aquecimentos locais Produto sensível - secagem sob vácuo à oxidação secagem em atmosfera inerte (gás de combustão, p/ex secador de tabuleiros ao manuseamento secador de tela outros + FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR secagem sob vácuo Produto perigoso Fogo e explosões - secagem em atmosfera inerte 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. DEFINIÇÕES 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. CARTA PSICROMÉTRICA BALANÇO DE MASSA A UM SECADOR • BALANÇO À ÁGUA Secagem em modo descontínuo M .X 0 G s0 t M .X f G s f t • Secagem em modo contínuo M . X 0 G s0 M . X f G s f ________________________________________________________________________________________ • • Massa de sólido húmido = M + MX = M (1+X) Caudal de gás húmido = G (1+s) BALANÇO ENTÁLPICO A UM SECADOR Secagem em modo contínuo (aquecimento por convecção) M .C PSol (T0 Tref ) M . X 0 C PH 2O (T0 Tref ) G H 0Tref Q M .CPSol (T f Tref ) M . X f CPH 2O (T f Tref ) G H Tref f G H 0Tref Q G H Tref f E se Q 0 (saturação adiabática do gás) H 0Tref H Tref f 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: M . X 0 G s0 M . X f G s f 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. PROBLEMA 1 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 (resolução) (a) M H 2O 20 0,9 18 kg / h M 20 0,1 2 kg / h X M H 2O 9 M 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) G arQV arhúmido /(1 s0 ) 0,56 m3 / s 1,12 kg / m3 /(1 0,008) 0,62 kg / s 2240kg ar sec o / h 2 9 2240 0,008 2 0,05 2240 s f 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) (e) f h 10 46º C & 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. CURVA DE SECAGEM Velocidade de secagem, r (kg água/(kg sólido seco.h)) r dX dt 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 Velocidade de secagem, r (kg água/(kg sólido seco.h)) r dX dt curva de secagem XC r=dX/dt (g água/g sólido seco/min) XE 0.025 0.020 0.015 curva de secagem 0.010 0.005 0.000 0 0.5 1 X (g água/g sólido seco) 1.5 PROBLEMA 2 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. Tempo (min) 0 Massa total da amostra (g) 56 10 20 30 40 60 90 120 240 um dia 51 46 41 37 33 29 28 27 27 TEMPO DE SECAGEM (batch) dX r( X ) dt t SEC X0 Xf dX r( X ) tSEC = tCONST + tDECR t CONST X0 XC rCONST & t DECR XC Xf dX 1 a b X ´C ln a bX b a b X f PROBLEMA 4 Calcule o tempo de secagem do sólido desde X = 0,9 até X = 0,1, nas condições de secagem da curva de secagem dada. curva de secagem rconst = 0,020 kg/kg.min t const 0,9 0,7 10 min 0,02 Período de velocidade de secagem decrescente r = 0,03 X – 1.2x10-4 0,03 0,7 1,2 104 1 75 min tdecresc ln 4 0,03 0,03 0,1 1,2 10 tSEC = tCONST + tDECR = 10 + 75 = 85 min r=dX/dt (g água/g sólido seco/min) Período de velocidade de secagem constante 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 0 0.5 1 X (g água/g sólido seco) 1.5 CURVA DE SECAGEM (alteração de condições) I): I - Aquecimento directo r K ( G h ) 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) ( 0 f ) / 2 h - temperatura de termómetro húmido “Rigorosamente” a equação só é válida para o período de velocidade de secagem constante PROBLEMA 3 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 r=dX/dt (g água/g sólido seco/min) curva de secagem 0.025 0.020 0.015 curva de secagem 0.010 0.005 0.000 0 0.5 1 X (g água/g sólido seco) 1.5 PROBLEMA 3 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: rnovo rinicial • (65 35) 0,017 kg / kg min (74 38) À falta de outra informação mantêm-se XC = 0,7 & XE = 0,03. A curva de secagem fica com o seguinte aspecto PROBLEMA 3 r=dX/dt (g água/g sólido seco/min) 0.025 0.020 curva de secagem 0.015 nova curva 0.010 nova curva Linear (nova curva) 0.005 Linear (nova curva) 0.000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -0.005 X (g água/g sólido seco) 1 1.2 CURVA DE SECAGEM (alteração de condições) I): II - Secagem por condução sob vácuo r K ' ( SUP SEC ) 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).
