Apresentação OPII - SECAGEM

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Universidade Federal Rural do Semi-Árido
Departamento de Agrotecnologia e Ciências Sociais
Curso: Engenharia Química
Disciplina: Operações Unitárias II
Docente: Roberta Pereira Da Silva 
# Discentes:	Ana Laura Oliveira de Sa Leitao 			Francisco Aldo Pégaso de Morais
		Isabely Keyva Fernandes Costa
		Mailla Isle Lopes
		Wallas Douglas de Macêdo Souza
Mossoró – RN
Setembro/2013
Secagem
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Definição
A secagem é uma operação unitária de transferência de massa e calor envolvendo a remoção de um líquido volátil, normalmente água, de um sólido poroso como a madeira, tecido ou massa de pó (podendo essa remoção também ocorrer para líquidos e gases), onde o material passa, entra em contato com uma corrente de gás, que pode ser em fluxo co-corrente, contracorrente, ou parcialmente co-corrente e parcialmente contracorrente. O secador pode ser adiabático ou poderão existir equipamentos para aquecimento. Esse fluxo bem como os coeficientes de transmissão de calor e massa, são características relevantes para o dimensionamento do secador.
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A retirada da umidade ocorre por evaporação mediante a aplicação de calor sob condições controladas. Vale ressaltar que a evaporação de uma solução, sem o auxílio de uma corrente de gás para arrastar a umidade não é considerada secagem.
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Figura 1: Tubulação com Resistência elétrica para aquecimento
 Já as torres de secagem e umidificadores se diferenciam dos secadores.
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Figura 2: Torres de Secagem e Umidificadores
A umidade pode ser encontrada nos sólidos de diversas maneiras. A água pode estar adsorvida nas paredes celulares, bem como em solução dentro das células ou em pequenos poros internamente no material.
Para que a secagem ocorra, este sistema evidentemente não pode estar em equilíbrio. É necessário que o meio de seca esteja a uma temperatura superior àquela do sólido úmido permitindo que exista um fluxo de calor para o mesmo que possibilitará a vaporização da umidade.
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		A secagem ocorre de acordo com dois processos fundamentais:
a)	Transferência de calor: o calor flui do ambiente para a superfície externa e daí para o líquido no interior do sólido.
b)	Transferência de massa: na forma de líquido e de vapor no interior do sólido e na forma de vapor da superfície para o ambiente.
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Figura 3: Processo de transferência de calor e massa em uma superfície de secagem
Um exemplo a ser citado é o caso do leite, que ao ser submetidos à secagem, é capaz de conservar intactas suas características físicas e nutritivas, retornando ao aspecto natural ou sofrendo poucas alterações quando reconstituídos em água. 
Pode ser encontrada nos mais diversos processos como em indústrias agrícolas, químicas, alimentícias, cerâmicas, mineral, farmacêuticas, de papel e celulose, e de polímeros. Sendo esta ainda uma das operações mais complexas e menos entendida, isso em detrimento à dificuldade e carência da descrição matemática dos fenômenos envolvidos de transferência simultânea de calor, massa e quantidade de movimento nos sólidos.
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No esquema apresentado na Figura abaixo, existe um sólido úmido exposto a uma corrente de ar com temperatura T e umidade relativa Wr que escoa em torno do sólido com uma velocidade V. O sólido pode receber calor e perder umidade pela face superior com área A, as faces laterais e a inferior estão isoladas.
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Figura 4: Transferência de calor e massa em um sólido úmido com laterais isoladas
	Importância da secagem:
a)	Facilitar o manejo posterior do produto;
b)	 Reduzir o custo de embarque;
c)	 Permitir o emprego satisfatório do mesmo;
d)	Aumentar a capacidade de equipamentos;
e)	Preservar os produtos durante o armazenamento e transporte;
f)	Aumentar o valor ou a utilidade dos produtos residuais.
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Mecanismos e conceitos fundamentais da secagem de sólidos
	Principais mecanismos envolvidos na secagem: 
Remoção de umidade (transferência de massa interna e externa ao sólido); 
Características do material a ser seco (tamanho, porosidade, higroscopicidade) ;
Fenômenos de transferência de calor.
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	A secagem de um sólido úmido, por meio de uma corrente de ar com velocidade de escoamento constante à temperatura e umidade fixa, manifesta-se sob um comportamento típico, que pode ser observado na curva da figura abaixo:
Figura 5: Curva típica de secagem em condições constantes de secagem; teor de umidade em função do tempo.
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Trecho AB: A T do sólido é menor que a T ambiente. O calor transferido do ar para o sólido é maior do que o calor retirado do sólido para evaporar água;
Trecho BC: Período de taxa constante. A T do sólido é igual a T ambiente. É caracterizado pela velocidade de secagem ser inalterada com a diminuição do teor de umidade. O calor é transferido para a superfície de secagem do sólido basicamente por convecção.
Trecho CDE: Período de taxa decrescente. Inicia quando a umidade do sólido atinge um valor determinado chamado UMIDADE CRÍTICA. Este trecho pode ser dividido em duas zonas: zona de superfície de secagem não-saturada e zona em que o fluxo interno de água controla o processo.
XE ( Ponto E): A taxa de secagem aproxima-se de zero, num certo teor de umidade de equilíbrio, que é o menor teor de umidade atingível no processo de secagem
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Zona de superfície de secagem não-saturada (trecho CD): Segue-se imediatamente a umidade crítica. Neste estágio, a superfície do sólido apresenta áreas secas que se ampliam na proporção em que a secagem prossegue. Consequentemente a taxa de secagem diminui uma vez que a mesma é relativa a toda a área do sólido em contato com o ar. A evaporação ocorre na superfície do sólido e a resistência a difusão interna do líquido é pequena comparada com a resistência para remover o vapor da superfície. A T do sólido aumenta, pois recebe do ar a mesma quantidade de calor que corresponderia ao período de taxa constante, sem, no entanto, ocorrer igual evaporação. Em outras palavras, parte da energia que era utilizada para a evaporação na fase anterior, acaba sendo utilizada para elevar a T do sólido.
Zona em que o fluxo interno de água controla a operação (Trecho DE): Caracteriza-se pelo fato de que o fluxo interno de água controla a taxa de secagem. Os fatores que influenciam a taxa de secagem são os mesmo que afetam a difusão da água através de sólidos. Observa-se que a umidade do ar não tem efeito na taxa de secagem, mostrando que esta depende da resistência a difusão da água. A medida que a quantidade de umidade diminui por causa da secagem, a velocidade da difusão interna da umidade decresce. A evaporação ocorre dentro da estrutura do sólido.
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	Quando ocorre a evaporação na superfície de um sólido, a umidade se desloca das camadas internas do sólido para a superfície. Este movimento da água exerce papel importante na secagem durante o período de velocidade decrescente e dependendo do tipo de material pode ocorrer através de dois mecanismos, que são:
a)	Difusão interna: é o movimento de um líquido ou de um vapor através de um sólido em consequência de diferença de concentração;
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Movimento de umidade no interior de sólidos
b)	Escoamento capilar: é o escoamento de um líquido através dos interstícios de um sólido ou sobre uma superfície, provocados por atração molecular entre o líquido e o sólido.
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Figura 6: Distribuição de umidade em um leito sólido particulado durante o processo de secagem
 Umidade de um sólido na base seca (Wd): é o quociente entre a massa de umidade (Ma) e a massa do sólido isenta desta umidade (Md)
Wd pode ser expresso por exemplo em kg de água por kg de sólido seco. 
 Umidade de um sólido na base úmida (Ww): é o quociente entre a massa de umidade (Ma) e a massa do sólido úmido (Md+Ma): 
Ww pode ser expresso por exemplo em kg de água por kg de sólido úmido. 
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Umidade de um sólido 
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Figura 7: Relação entre base seca e úmida
A transformação da umidade de uma base para outra pode ser obtida pelas seguintes expressões e pela figura: 
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Umidade de um sólido17
As velocidades de secagem são determinadas expondo-se o material úmido a uma corrente de gás a temperatura e umidade dadas, e medindo-se o teor de líquido como uma função de tempo.
 Gráfico 2: Velocidade de secagem em função do teor de líquido 
 Gráfico 1: Teor de liquido versus tempo
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Velocidade de secagem
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 Período de velocidade de secagem constante:
Ocorre quando o teor de líquido é suficientemente grande para que toda a superfície do material esteja completamente molhada.
 Período de velocidade de secagem decrescente (queda):
Ocorre quando o teor de líquido não é suficientemente para molhar completamente a superfície do material.
Experimentalmente a equação pode-se pode ser determinada como:
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Velocidade de secagem
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Velocidade de secagem
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Passo 1: Balanço de massa total;
Passo 2: Diagrama psicrométrico;
T2 = 50°C ϗ2 = 0,0036 		 w1= 0,9 Kg água / Kg tecido seco
TW = 21°C ϗw = ϗ1 = 0,0156 	 w2= 0,1 Kg água / Kg tecido seco
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Exemplo 2: Resolução
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A velocidade de secagem é função:
Linha de Saturação
Temperatura Bulbo Úmido
Temperatura de Bulmo Seco
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Velocidade de secagem
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Passo 3: Balanço de massa seção II;
Isolando o termo desejado, e substituindo os valores obtém-se:
Utilizando de artifícios algébricos:
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Exemplo 2: Resolução
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Passo 4: Igualando as velocidades constante e decrescente de secagem, determina-se Wc, teor de água critico;
Passo 5: Período de velocidade constante;
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Exemplo 2: Resolução
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Passo 6: Período de velocidade de decrescente (queda);
Logo o tempo de secagem total é:
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Exemplo 2: Resolução
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Um sólido, cuja a curva de secagem é apresentada abaixo, contém uma umidade livre inicial de:
X1= 0,40 (Kg H2O)/(Kg sólido seco) e deverá ser seco até 
X2= 0,18 (Kg H2O)/(Kg sólido seco).
Qual o tempo estimado, em horas necessário para o processo de secagem ?
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Exemplo 3
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Modo de operação
Batelada: operação intermitente, por lotes de material a ser processado.
Contínua: alimentação do material a ser processado ininterrupta.
2) Fonte de calor
Diretos: calor fornecido pelo gás de secagem
Indiretos: calor fornecido por outro meio como por condução, radiação, campo elétrico de alta frequência e micro-ondas.
3) Condições operacionais
Pressão de operação: atmosférica ou vácuo;
Fluxo de gás: nenhum, contracorrente ou concorrente;
Fluxo de sólidos: estacionário ou misturado;
Meio de transporte: estacionário, mecânico, arraste, combinado;
Mistura do sólido: sem mistura, agitação, rolo ou arraste.
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Equipamentos Industriais
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Secador de bandejas 
É essencialmente uma câmara onde o material a ser seco é colocado em bandejas ou tabuleiros
O meio secante pode ser vapor de água, gás ou ar aquecido eletricamente. O custo de energia é parte principal do custo total do processo. Além de ar, outros agentes secadores podem ser utilizados, como gases inertes (nitrogênio).
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Tipos de Equipamentos Industriais
Figura 8: Secadores de bandejas
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Secador de Túnel
O material a ser seco é colocado em bandejas e essas em carretas que irão entrar dentro de um túnel onde ocorrerá o processo de secagem. Esta operação pode ocorrer com o ar de secagem em corrente paralela, isto é, o fluxo de ar quente no mesmo sentido do fluxo das carretas, ou em contracorrente, onde o fluxo do ar quente tem direção contrária ao fluxo das carretas.
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Figura 9: Secador de Túnel em contracorrente
Figura 10: Secador de Túnel em correntes paralelas
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Secador de rotatórios
 Os sólidos são derrubados numa corrente contínua, na região do eixo do tambor rotatório, enquanto o ar é injetado através da cascata de grãos. 
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Figura 11: Secador de rotatórios
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Secador a gravidade
As chapas são aquecidas. O meio secante poder ser ar ou gás inerte. 
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Figura 12: Secador a gravidade
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Secador por radiações infravermelhas
O produto a ser seco é colocado sobre um esteira em finas camadas. A radiação é colocada sobre o produto.
 
A secagem por infravermelho oferece alta eficiência de conversão da energia elétrica em calor .
A secagem de produtos sólidos, como fatias de pão, chá, especiarias e amêndoas são sua principal aplicação.
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Figura 13: Secador por radiações infravermelhas
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	Secagem por micro-ondas
O produto a ser seco é colocado sob um campo elétrico de alta freqüência (2500 MHz). O calor é produzido no interior do material a secar.
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Figura 14: Secagem por micro-ondas
	Secagem a vácuo
Secadores a vácuo são semelhantes aos secadores de bandejas na sua construção. No entanto, duas diferenças básicas são notáveis: a câmara deve ser hermeticamente fechada e sem circulação de gás; sem o gás de secagem, calor deve ser fornecido ao material por outro meio, como condução através do aquecimento dos suportes ou radiação. Utilizada quando o material a secar é alterado pelo calor ou pelo ar.
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Figura 15: Secadores a vácuo
	É um método de secagem conhecido como secagem instantânea, pois utiliza tempos curtos de processo quando comparado aos outros tipos de secadores.
	O “spray dryer” é um secador por aspersão (atomização) do produto a ser seco em um agente de secagem aquecido (usualmente ar).	
	Este equipamento admite na sua alimentação somente material em estado fluido (solução, suspensão ou pasta) e a converte em uma forma particulada seca. 
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Spray-dryer
Produtos que utilizam Spray-dryer:
	Especialmente produtos que apresentam sensibilidade ao calor, como alimentos e materiais de origem biológica:
 extratos e produtos oriundos de plantas;
 corantes;
microorganismos; 
produtos com leveduras, enzimas e proteínas;
destaque recente na microencapsulação de substâncias.
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Referências:
BLACKADDER, D. A.; NEDDERMAN. R. M. Manual de operações unitárias. 2. ed. Trad. VIDAL, L. R. G. Cambridge: Hemus. 2008. 276 p.
 
MEDEIROS, U. K. L. Viabilidade técnica de uma rota não convencional para a produção de leite de cabra em pó em cooperativas do Rio Grande do Norte. 2010. 189 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, RN, 2010.
 
SILVA, M. A. C. Análise inversa em problema de difusão transiente em acerola (malpighia punicifolia): Estimação da difusividade mássica efetiva. 2007. 88 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa, PB, 2007.
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OBRIGADO!!!
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