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

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1 SECAGEM DE SÓLIDOS

2 Material húmido (sólido, pasta, sólido em suspensão) + CALOR Sólido “seco” + vapor DEFINIÇÃO

3 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

4 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

5 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.

6 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 EQUIPAMENTO DE SECAGEM

7 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)

8 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

9 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

10 SECADOR DE TABULEIROS

11 SECADOR DE ATOMIZAÇÃO Grandes caudais Alimentação líquida (solução ou suspensão) Produto  pó

12 SECADOR DE ATOMIZAÇÃO

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14 SECADOR DE TELA

15 SECADOR DE TRANSPORTE PNEUMÁTICO  Grandes caudais  Alimentação sólida  Granulometria (~ mm)

16 SECADOR DE LEITO FLUIDIZADO  Grandes caudais  Alimentação sólida  Granulometria (~ mm  ~cm)

17 SECADOR ROTATIVO

18 ~ Grandes caudais Elevado tempo de residência Granulometria grossa ( ~ cm) SECADOR ROTATIVO

19 SECADOR DE TAMBOR  Alimentação líquida

20 SECADOR BICÓNICO Batch  Alimentação sólida  Granulometria (muito flexível)  Aquecimento indirecto

21 (aparte) EXEMPLOS DE TRANSPORTADORES DE SÓLIDOS Transportadores de parafuso Transportadores de correia Transportadores de alcatruzes (para transporte vertical) Transporte pneumático Outros

22 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  A partir dos 2 min

23  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

24  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

25 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

26 A FORMA DA ALIMENTAÇÃO PODE SER MODIFICADA

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30 Escala - pequena capacidade ==> batch grande capacidade ==> contínuo maiores capacidades … Rotativo Leito fluidizado Transporte pneumático Spray + FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR

31 Produto sensível - à temperatura secagem sob vácuo secador em co-corrente boa mistura p/evitar aquecimentos locais à oxidação secagem sob vácuo secagem em atmosfera inerte (gás de combustão, p/ex ao manuseamento secador de tabuleiros secador de tela outros

32 + 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

33 + 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.

34 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 (s h ) DEFINIÇÕES

35 SÓLIDO Humidade do sólido (X) = kg água/kg sólido seco Humidade de equilíbrio (X E ) – 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 – X E ) – é a humidade passível de ser eliminada por secagem em determinadas condições. Humidade crítica (X C ) – é humidade acima da qual a velocidade de secagem é constante em determinadas condições de secagem. DEFINIÇÕES

36 CARTA PSICROMÉTRICA

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38 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

39 Secagem em modo contínuo (aquecimento por convecção) BALANÇO ENTÁLPICO A UM SECADOR

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42 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 s f. 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.

43 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, X f = 0,05. Utiliza-se ar a 106ºC com uma humidade s 0 = 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 m 3 /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

44 (a)  OBS: humidade pode ser > 1... (b)  0 = 106ºC & s 0 = 0,008 & carta psicrométrica  outras propriedades do ar. (c) seguir linha de saturação adiabática até à saturação   h = 36ºC & s h = 0,038 (d) s f = 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)

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47 (e) & linha sat. adiab. s f = 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 m 3 /s (f) G mínimo corresponde a s f = s h 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)

48 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

49 Velocidade de secagem, r (kg água/(kg sólido seco.h)) CURVA DE SECAGEM

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51 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) um dia Massa total da amostra (g)

52 t SEC = t CONST + t DECR & TEMPO DE SECAGEM (batch)

53 Período de velocidade de secagem constante r const = 0,020 kg/kg.min  Período de velocidade de secagem decrescente r = 0,03 X – 1.2x10 -4 t SEC = t CONST + t DECR = = 85 min 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.

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55 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

56 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

57 Situação inicial (curva experimental existente)  0 = 98ºC & %HR = 3% & carta psicrométrica  s 0 =0,018   h = 38ºC Situação nova (curva para novas condições)  0 = 80ºC & s 0 =0,018 & carta psicrométrica   h = 35ºC Nova velocidade de secagem no período de secagem constante: À falta de outra informação mantêm-se X C = 0,7 & X E = 0,03. A curva de secagem fica com o seguinte aspecto PROBLEMA 3

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59 CURVA DE SECAGEM (alteração de condições) I): II - Secagem por condução sob vácuo  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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