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Universidade Federal de Santa Maria - UFSM Centro de Tecnologia Departamento de Engenharia Química Laboratório II de Operações Unitárias (DEQ 1017) Prof. Dr. Evandro Stoffels Mallmann AULA PRÁTICA VII – SECAGEM EM BANDEJA Carolina Nardello Contin Eduarda Lauthart Vendruscolo Maryana Soares Pereira Santa Maria 2022 RESUMO SECAGEM EM BANDEJA Carolina Nardello Contin Eduarda Lauthart Vendruscolo Maryana Soares Pereira A operação unitária secagem envolve a transferência de calor e massa, e auxilia no controle das taxas de umidade de diferentes matérias-primas processadas com o ar atmosférico e pode ser definida como a operação de retirada de água de um produto por evaporação, aplicando-se calor. O experimento constitui-se em determinar a curva de secagem de uma amostra de carvão ativado. Caracterizando a operação de secagem de carvão ativado em bandeja, com ar quente escoando em paralelo, construindo uma curva da taxa de secagem em função da umidade média e uma curva do adimensional de água livre em função do tempo. Obteve-se como resultado de constante de secagem (K) 0,046 s-1, fator pré-exponencial (a) 1,079 e difusividade efetiva de umidade (Def) 4,021x10 -7 m²/s. Com a conclusão do experimento, foi possível obter as curvas da taxa de secagem em função da umidade média e do adimensional de água livre em função do tempo. Ademais, pode-se ajustar os dados experimentais ao modelo de Henderson e Pabis. Palavras chave: secagem, carvão ativado, transferência de massa. LISTA DE FIGURAS Figura 1. Curva de secagem típica em condições constantes de secagem..................8 Figura 2. Taxa de secagem versus umidade..............................................................9 Figura 3. Módulo experimental para a realização dos experimentos........................12 Figura 4. Curva de secagem do carvão ativado com ponto fora da curva.................17 Figura 5. Curva de secagem do carvão ativado.......................................................18 Figura 6. Curva do adimensional de água livre (Y) em função do tempo (t)............19 Figura 7. Valores observados em função dos valores preditos pelo modelo de Henderson e Pabis....................................................................................................20 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Dados experimentais obtidos na execução do experimento.....................14 Tabela 2. Valores calculados de X , Xm, N e Y........................................................15 Tabela 3. Valores e confiabilidade dos parâmetros a e K.........................................19 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO.................................................................................................6 2. OBJETIVOS......................................................................................................7 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA........................................................................8 3.1 SECAGEM.........................................................................................................8 3.2 PERÍODOS DE SECAGEM................................................................................8 3.3 TIPOS DE SECAGEM......................................................................................10 3.3.1 Secagem em bandeja.....................................................................................10 3.3.2 Secagem em leito fluidizado.........................................................................10 3.3.3 Secagem por spray dryer .............................................................................10 4. MATERIAIS E MÉTODOS..............................................................................12 4.1 MATERIAIS......................................................................................................12 4.2 MÉTODOS........................................................................................................12 4.2.1 Tratamento de dados.....................................................................................13 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO.......................................................................15 6. CONCLUSÃO....................................................................................................21 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................23 6 1. INTRODUÇÃO A secagem é uma das operações mais antigas e mais aplicadas em processos industriais. Ela envolve a transferência de calor e massa, auxilia no controle das taxas de umidade de diferentes matérias-primas processadas com o ar atmosférico. Além disso, a secagem pode ser também empregada para melhorar as características de manuseio e estabilizar os materiais sensíveis à umidade, como alimentos e produtos farmacêuticos. (DA SILVA, 2021). O processo de secagem pode ser definido como a operação unitária de retirada de água de um produto por evaporação, aplicando-se calor. Dessa maneira, a secagem promove o acabamento dos produtos e auxilia no equilíbrio da umidade dos diversos materiais processados com o ar atmosférico. Ademais, utiliza-se secagem com o objetivo de aumentar a conservação dos alimentos e dos materiais perecíveis, sendo amplamente utilizada na indústria alimentícia. A importância desse processo também está relacionada à redução do peso e do volume e à diminuição nos custos de transporte e armazenamento. (DA SILVA, 2021). O experimento realizado estuda a operação de secagem de carvão ativado em bandeja, com ar quente escoando em paralelo e analisa a perda da umidade do sólido em função do tempo devido à passagem de ar a uma dada temperatura. 7 2. OBJETIVOS O experimento tem como objetivo estimar as propriedades do ar utilizando a carta psicrométrica. Caracterizar a operação de secagem de carvão ativado em bandeja com escoamento paralelo do ar, mediante as seguintes curvas: Curva da taxa de secagem (N) em função da umidade média (Xm); curva do adimensional de água livre (Y) em função do tempo (t). Sendo que, na curva da taxa de secagem (N versus Xm) identificar a umidade inicial (X0), a umidade crítica (Xc) e a umidade de equilíbrio (Xe). Ademais, identificar os períodos de taxa constante e decrescente, além de obter a constante de secagem (K) e a difusividade efetiva de umidade (Def) através do ajuste dos dados experimentais (Y versus t) ao modelo de Henderson e Pabis. 8 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 SECAGEM A operação unitária de secagem consiste em retirar a quantidade de água de um material, o que ocasiona uma redução na massa do mesmo. (MCCABE, et al., 1991). Quando um sólido úmido é submetido a secagem ocorrem simultaneamente dois fenômenos: transferência de massa e transferência de calor. A transferência de massa no processo está relacionada com a difusão da água no interior do sólido para a superfície. (FOUST et al., 1982). A resistência à transferência de massa é representada pelo coeficiente convectivo de massa e de difusão. Já a transferência de calor ocorre na superfície do sólido, onde a água que ali se encontra se vaporiza. A resistência à transferência de calor na superfície é representada pelo coeficiente convectivo de calor. Muitos mecanismos de transporte são estudados, tais como difusão molecular, capilaridade e difusão líquida (ZOGZAS, 1996). 3.2 PERÍODOS DE SECAGEM Na secagem experimental de um sólido, os dados são colocados na forma de gráfico, relacionando a umidade (X, base seca) com o tempo de ensaio (θ), conforme a Figura 1. Figura 1 - Curva de secagemtípica em condições constantes de secagem. Fonte: FOUST et al., 1982. 9 A partir desse gráfico, se for realizada a diferenciação da curva (obtendo-se a cada instante a tangente no ponto), consegue-se então visualizar a taxa de secagem em função do tempo, conforme mostra a Figura 2. (MAYER, 2022). Figura 2 - Taxa de secagem versus umidade. Fonte: FOUST et al., 1982. O trecho AB da curva representa um período durante o qual o sólido se adapta às condições de secagem, podendo aumentar ou diminuir a taxa de secagem. (MAYER, 2022). O trecho BC representa o período de velocidade constante e corresponde a dX/dθ. (MAYER, 2022). O ponto C corresponde ao fim do período de velocidade constante, onde as coordenadas são a taxa de secagem constante (Rc) e umidade crítica do sólido (Xc). (MAYER, 2022). O trecho CD, é caracterizado de período de velocidade decrescente. (MAYER, 2022). O ponto E representa o instante em que toda a superfície torna-se completamente insaturada e a partir de então o movimento interno da umidade passa a controlar a taxa de secagem. (MAYER, 2022). O trecho CE geralmente é chamado de primeiro período de velocidade decrescente, onde, na maioria dos casos, a taxa de secagem decresce linearmente. (MAYER, 2022). 10 Ou seja, pode-se dizer que o ponto C (Xc, Rc) representa o fim do período da velocidade constante e não existe água na superfície para mantê-la completamente úmida. O ponto E, representa o instante em que toda a superfície torna-se insaturada e o ponto D é quando o sólido atinge a umidade de equilíbrio e representa o final da secagem. 3.3 TIPOS DE SECAGEM Existem diversos métodos para secagem dos mais diversos tipos de materiais e produtos. Dentre os principais temos a secagem em bandejas, secagem em leito fluidizado e secagem por spray dryer. 3.2.1 Secagem em bandejas Os secadores em bandejas são um dos mais utilizados em processos que operam em bateladas. Geralmente empregados na indústria para desidratar alimentos e fertilizantes. Os sólidos a serem secados são posicionados dentro de bandejas, que são alocados dentro de uma câmara fechada que contém um gás circulando. O gás de secagem circula pela câmera e passe entre as bandejas, o qual deve ser inerte. Além de ar, são utilizados como agentes secantes nitrogênio e vapor superaquecido. (FOUST et al., 1982; DA SILVA, 2021). As características mais importantes deste equipamento são a simplicidade de construção, operação e baixo custo de manutenção. (FOUST et al., 1982). 3.2.2 Secagem em leito fluidizado Os secadores de leito fluidizado são comumente empregados na indústria para secagem de particulados como areia e minerais. Estes operam com grandes vazões de produtos e fluxos de gases. (FOUST et al., 1982; FELIPE, 2022). 3.2.3 Secagem por spray dryer A secagem por spray dryer tem como princípio a pulverização do produto a ser desidratado em pequenas partículas. As principais vantagens desse processo são o tempo (varia entre 3 a 12 s) e a temperatura do produto, que é relativamente baixa. Isso ocorre devido às partículas serem muito pequenas, fazendo com que a área de 11 contato com o ar seja grande, sendo assim o processo ocorre de forma mais rápida. Além disso, é um equipamento versátil pelo fato de produzir pós, grânulos ou aglomerados. Este tipo de secagem é muito utilizado na indústria de alimentos para produtos na forma pastosa ou líquida. (DA SILVA, 2021). 12 4. MATERIAIS E MÉTODOS 4.1 MATERIAIS O módulo experimental para a realização dos experimentos está apresentado na Figura 3. Figura 3 - Módulo experimental para a realização dos experimentos. Fonte: Autores, 2022. O módulo experimental é constituído pelos seguintes componentes: soprador axial; câmara de secagem com suporte para pendurar a bandeja; psicômetro de temperaturas (bulbo seco e bulbo úmido); anemômetro; resistências elétricas; termopares ligados a um painel. Também serão utilizados, copo de Becker, balança, paquímetro e cronômetro. O material a ser seco é o carvão ativado granular. 4.2 MÉTODOS ● Ligar o módulo de secagem, o soprador axial e ajustar a velocidade para 1,5 m/s; ● Ligar o sistema de aquecimento e ajustar a temperatura para 100 °C; Enquanto o sistema de secagem atinge a temperatura desejada, pesar 40,0 g de carvão ativado, e adicionar 500 mL de água. Deixar em repouso por 15 minutos e filtrar; 13 ● Colocar o carvão úmido em um papel filtro e este na bandeja de secagem. Pesar a massa úmida inicial, medir a área da bandeja e a espessura da amostra; ● Assim que o sistema atingir 100 °C, colocar a bandeja no túnel de secagem e acionar o cronômetro; ● A cada 3 minutos (nos primeiros 30 minutos) e a cada 5 minutos no restante da operação, anotar a massa de amostra (m) (na balança) e as temperaturas do ar de secagem (Tar), de bulbo seco (TBS) e de bulbo úmido (TBU); ● Após três medidas consecutivas com diferença insignificante na balança, finalizar o experimento. 4.2.1 Tratamento de dados Para o tratamento dos dados experimentais e obtenção dos valores de X, Xm, N e Y deve-se utilizar como base as Equações 1, 2, 3 e 4 mostradas na sequência. 𝑋 = 𝑚−𝑚𝑠𝑠 𝑚𝑠𝑠 (1) 𝑋𝑚 = 𝑋(𝑡=0)+𝑋(𝑡=3)… 2 (2) 𝑁 = 𝑑𝑋 𝑑𝑇 (3) 𝑌 = 𝑋−𝑋𝑒 𝑋0−𝑋𝑒 (4) Onde mss é a massa de sólido seco, X0 é a umidade inicial e Xe é a umidade de equilíbrio (considerar Xe como o último ponto de umidade obtido no experimento). No cálculo da constante de secagem (K) realiza-se a regressão exponencial de Y versus t conforme a Equação 5. E para a difusividade efetiva de umidade (Def) utiliza-se a Equação 6. 𝑌 = 𝑎 ∗ exp (−𝐾𝑡) (5) 𝐾 = 𝜋²𝐷𝑒𝑓 𝐿² (6) Em que a é o fator pré exponencial e L é a espessura do material. 14 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os dados de massa da amostra de carvão para cada intervalo de tempo, temperatura de bulbo seco (TBS), temperatura de bulbo úmido (TBU) e temperatura do ar (Tar) foram medidos na execução do experimento e estão dispostos na Tabela 1. A massa de sólido inicial pesada é de 40,1 g de carvão ativado. Além disso, mediu- se a espessura da camada de carvão ativado (0,932 cm). A área do papel filtro corresponde a 106,852 cm2 e a área da bandeja a 178,036 cm2. Tabela 1 - Dados experimentais obtidos na execução do experimento. (continua) t (min) m (g) Tar (°C) TBS (°C) TBU (°C) 0 58,16 100,00 12,80 9,60 3 56,79 100,00 13,40 10,00 6 54,70 100,00 13,10 10,00 9 48,66 101,00 15,90 10,20 12 46,80 100,00 13,40 10,50 15 45,05 100,00 13,30 11,00 18 43,22 99,00 13,40 10,50 21 41,59 99,00 13,30 10,40 24 39,99 99,00 13,30 11,10 27 38,87 100,00 13,20 10,30 30 37,88 100,00 13,30 10,30 15 (conclusão) t (min) m (g) Tar (°C) TBS (°C) TBU (°C) 40 35,32 99,00 14,00 11,00 45 34,22 100,00 14,10 11,00 50 33,24 99,00 15,90 10,90 55 32,37 100,00 14,00 11,00 60 31,55 102,00 14,00 10,80 65 30,88 100,00 13,80 10,80 70 30,26 98,00 13,80 11,00 Fonte: Autores, 2022. A partir destes dados e com auxílio das equações 1, 2, 3 e 4 pode-se calcular os valores de X, Xm, N e Y, mostrados na Tabela 2. Tabela 2 - Valores calculados de X , Xm, N e Y. (continua) X gH2O/gss Xm gH2O/gss N gH2O/(gss . min) Y 0,922 - - 1,025 0,877 0,899 0,015 0,975 0,808 0,842 0,023 0,898 0,608 0,708 0,067 0,676 16 (conclusão) X gH2O/gss Xm gH2O/gss N gH2O/(gss . min) Y 0,489 0,518 0,019 0,543 0,4280,459 0,020 0,476 0,374 0,401 0,018 0,416 0,322 0,348 0,018 0,358 0,285 0,303 0,012 0,316 0,252 0,268 0,011 0,280 0,208 0,230 0,009 0,231 0,167 0,188 0,008 0,186 0,131 0,149 0,007 0,146 0,098 0,115 0,006 0,109 0,070 0,084 0,006 0,078 0,043 0,056 0,005 0,047 0,020 0,032 0,004 0,023 0,000 0,010 0,004 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 Fonte: Autores, 2022. 17 Vale ressaltar que para a Equação 1 precisa-se da massa de sólido seco (mss), para isso considera-se o último valor de massa medido no experimento, ou seja, mss = 30,26 g. Com os valores da Tabela 2, construiu-se o gráfico da curva de secagem (N) em função da umidade média (Xm), mostrado na Figura 4. Figura 4 - Curva de secagem do carvão ativado com ponto fora da curva. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 T a x a d e se ca g em , N ( g H 2 O /( g ss . m in )) Umidade média, Xm (gH2O/gss) Fonte: Autores, 2022. Na Figura 4, pode-se observar um ponto fora da curva no instante t = 9 minutos, pelo fato de terem ocorrido erros operacionais na realização do experimento. Devido a isto, removeu-se o ponto correspondente, e novamente construiu-se o gráfico curva de secagem (N) em função da umidade média (Xm) do carvão ativado, demonstrado pela Figura 5. 18 Figura 5 - Curva de secagem do carvão ativado. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 x0 xC T a x a d e se ca g em , N ( g H 2 O /( g ss . m in )) Umidade média, Xm (gH2O/gss) A BC E D xE Fonte: Autores, 2022. Dessa forma, é possível observar que o gráfico se comporta de maneira semelhante ao representado na Figura 2. Ou seja, com período de adaptação do sólido nas condições de secagem (AB), período de velocidade constante (BC), fim do período de velocidade constante (ponto C), período de velocidade decrescente (CD). Por meio do gráfico da Figura 5, também pode-se retirar os valores de umidade crítica (Xc), umidade de equilíbrio (Xe) e umidade inicial (X0), sendo, respectivamente, 0,34 gH2O/gss, 0,00 gH2O/gss e 0,90 gH2O/gss. Em seguida, plotou-se a curva do adimensional de água livre (Y) em função do tempo (t). O gráfico está mostrado na Figura 6. 19 Figura 6 - Curva do adimensional de água livre (Y) em função do tempo (t). 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tempo, t (min) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Y Fonte: Autores, 2022. Assim, a partir de uma análise de regressão, definiu-se os valores para os parâmetros K e a com auxílio do programa Statistica a fim de ajustar ao modelo de Henderson e Pabis. Os valores encontrados estão dispostos na Tabela 3. Tabela 3 - Valores e confiabilidade dos parâmetros a e K. a K Estimado 1,079 0,046 Erro padrão 0,020 0,001 t-value 53,019 31,688 p-value 0,000 0,000 R² 0,992 Fonte: Autores, 2022. Para analisar a confiabilidade do modelo utilizado, analisou-se o coeficiente de determinação (R2), t-value e p-value. O t-value mede o tamanho da diferença em relação à variação dos dados amostrais e o p-value mede o nível de significância. 20 Deste modo, quanto mais alto for t-value, mais próximo de zero for p-value e mais próximo de 1 for R2, significa que mais ajustado aos dados está o modelo matemático. Pelos valores encontrados na Tabela 3, verificamos que o modelo é satisfatório, uma vez que para ambos os parâmetros os valores de p-value são iguais a zero (0) e para t-value são iguais a 53,019 e 31,688, para K e a respectivamente, logo são superiores a 10. Além disso, o R2 obtido foi igual a 0,992, valor este que é muito próximo de 1 (valor ideal). No gráfico mostrado pela Figura 7, estão representados os valores observados em função dos preditos. Figura 7 - Valores observados em função dos valores preditos pelo modelo de Henderson e Pabis. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 V a lo re s O b se rv a d o s Valores Preditos Fonte: Autores, 2022. Por meio do gráfico da Figura 7, observamos que os pontos estão distribuídos próximos e ao longo da reta, estando dentro do esperado. Além de obter o valor da constante de secagem (K), calculou-se a difusividade efetiva de umidade (Def) através da Equação 6, podendo-se entender a facilidade com que a água é removida do material. O valor encontrado foi de 4,021x10-7 m²/s. De acordo com Nascimento (2014), a difusividade efetiva varia de 3,70 x 10-7 m²/s até 5,88 x 10-7 m²/s para amostras de carvão do lodo e carvão da 21 madeira, por exemplo. Este valor pode variar conforme o tipo e composição de material a ser secado e das condições de secagem. Dessa forma, os valores obtidos estão dentro da faixa encontrada na literatura. Os resultados encontrados no experimento também podem ter sofrido alterações devido aos erros experimentais, como na pesagem e manuseio do equipamento. Mas estes se mostram satisfatórios de acordo com a análise de confiabilidade dos parâmetros e consulta na literatura. 22 6. CONCLUSÃO Por meio do experimento de secagem, foi possível realizar a construção dos gráficos da curva da taxa de secagem (N) em função da umidade média (Xm) e curva do adimensional de água livre (Y) em função do tempo (t) para o carvão ativado. Além disso, identificou-se a umidade inicial (X0) como sendo igual a 0,90 gH2O/gss, a umidade crítica (Xc) igual a 0,34 gH2O/gss e a umidade de equilíbrio (Xe) igual a 0,00 gH2O/gss, destacando-se os períodos de taxa constante e decrescente. O gráfico da Figura 5, da curva da taxa de secagem (N) em função da umidade média (Xm), se comporta de maneira semelhante ao representado na Figura 2. Ou seja, com período de adaptação do sólido nas condições de secagem (AB), período de velocidade constante (BC), fim do período de velocidade constante (ponto C), período de velocidade decrescente (CD). A partir do modelo matemático de Henderson e Pabis foi possível estimar os parâmetros a e K, sendo os valores obtidos iguais a 1,079 e 0,046 s-1 respectivamente. Este modelo mostrou-se satisfatório para os dados experimentais obtidos tendo em vista que os valores de p-value são iguais a zero, ou seja, inferiores a 0,05, indicando um nível de significância de mais de 95% e para t-value superiores a 10. E, o coeficiente de determinação (R2 = 0,992) se aproxima do valor ideal que é 1. Obteve-se também a difusividade efetiva de umidade (Def) como sendo igual a 4,021x10-7 m²/s e percebe-se que o valor obtido vai de encontro com os valores apresentados por Nascimento (2014) que variam de 3,70 x 10-7 m²/s até 5,88 x 10-7 m²/s para amostras de carvão do lodo e carvão da madeira, respectivamente. A discrepância entre os valores pode ser explicada devido a diferença de condições empregadas na secagem para cada caso. Os resultados encontrados podem ter sofrido alterações devido aos erros operacionais e de manuseio ocorridos durante o processo experimental. Ademais, o experimento de secagem realizado agregou ainda mais conhecimento e possibilitou o aprendizado prático dos conhecimentos adquiridos em aula. 23 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FELIPE, Carlos Alberto Severo. MONITORAMENTO DA SECAGEM DE SEMENTES EM LEITO FLUIDIZADO. Disponível em: https://ppgeq.furg.br/2- sem-categoria/197-monitoramento-da-secagem-de-sementes-em-leito-fluidizado. Acesso em: 05 jul. 2022. FOUST, A. S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B. Princípios das Operações Unitárias. 2ª ed. Rio de Janeiro: Ed. Guanabara Dois, 1982. MAYER, F. D.; SCHLEMMER, D. F. Material Didático. Operações unitárias com transferência de calor e massa II, Santa Maria, 2022. MCCABE, W. SMITH, J.; HARRIOT, P. Unit operations of chemical engineering. 5a ed. New York: McGraw-Hill, Inc., 1991. 1130p. NASCIMENTO, A. R. et al. Síntese e caracterização de materiais mesoporosos modificados com níquel para a captura de CO2. Cerâmica, v. 60, n. 356, p. 482–489, dez. 2014a. ZOGZAS, N. P., MAROULIS, Z. B. Effective Moisture Diffusivity Estimation from Drying Data. A Comparison Between Various Methods of Analysis, Drying Technology: An International Journal, 14:7-8 (1996) 1543 – 1573.
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