BALANÇO DE MASSA E ENERGIA APLICADOS A SECADORES DE TAMBOR NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE MINGAUS

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS 
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS 
FACULDADE DE TECNOLOGIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
BALANÇO DE MASSA E ENERGIA APLICADOS A SECADORES DE TAMBOR 
NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE MINGAUS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MANAUS - AM 
2016 
 
Héricles Klauss da Silva Franco – 21453681 
Mariana Campos Afonso – 21456324 
Thais dos Santos Leal – 21456933 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Atividade da disciplina do curso de 
Engenharia Química apresentada a 
Universidade Federal do Amazonas para 
obtenção de nota parcial da disciplina 
Princípios dos Processos Químicos 
ministrado pela Profª CRISTIANE 
DALIASSI RAMOS DE SOUZA. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MANAUS-AM 
2016 
 
RESUMO 
 
Farinhas pré-cozidas são preparações a base de cereal, instantâneas ou de 
rápida dissolução, que, quando reidratadas, com água ou leite, se transformam em 
sopa, mingau, creme ou massa. Tais produtos tiveram grande êxito no mercado de 
alimentos para bebês, principalmente devido a sua praticidade no uso diário aliado à 
nutrição balanceada. 
Os tambores de secagem utilizados na produção desses mingaus 
apresentam elevado consumo energético. Em função disso, realizar análises e os 
devidos balanços de massa e energia no sistema são de fundamental importância a 
fim de evitar perdas e custos desnecessários. 
Nesse trabalho, foi realizado o estudo do balanço de massa e energia 
simples aplicado nos processos rotineiros da produção de mingaus em tambores de 
secagem. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sumário 
 RESUMO 
 
1. Considerações Iniciais ................................................................................... 1 
 
2. Objetivo ......................................................................................................... 2 
 
3. Balanço de Massa ......................................................................................... 2 
 
4. Balanço de Energia ....................................................................................... 3 
 
5. Balanço de Massa e Energia Aplicados a Secadores de Tambor .................. 4 
 
5.1. Um Exemplo de Balanços de Massa e Energia Simples no Processo de 
Obtenção do Mingau .......................................................................................... 6 
 
6. Considerações Finais .................................................................................... 8 
 
7. Referências ................................................................................................... 9 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 1. Considerações Iniciais 
 
 Secadores de tambor têm sido amplamente utilizados na indústria alimentícia 
para a secagem de vários alimentos líquidos, semilíquidos ou pastosos. Dessa 
maneira, muitos produtos alimentícios secos, tais como o leite em pó, mingaus, 
sopas, maltodextrinas e muitos outros produtos, alimentares ou não, podem ser 
produzidos. O produto obtido, por sua vez, se caracteriza como poroso e 
extremamente fácil de ser reidratado, ou seja, de utilização instantânea. O objetivo 
desse tipo de processo é, no entanto, estender a vida útil dos produtos, otimizando 
os custos de embalagem e transporte. 
 Também conhecidos com o nome de rolo de secador ("drum dryer" ou 
"roller-dryer"), secadores de tambor são constituídos de um ou dois tambores 
rotativos, com diâmetro variável (0,5 a 1,5 metros), medindo 2 a 5 metros de 
comprimento, aquecidos internamente através do uso de vapor (Gava, 1978). Ou 
seja, são secadores que se utilizam da condução com o efeito secativo sendo obtido 
através da transferência de calor do vapor - que condensa dentro dos tambores - 
para a película fina de material recobrindo a sua superfície externa. Ele pode estar 
na pressão atmosférica ou ser mantido em pressão reduzida (vácuo). 
 A figura 1 representa um processo comumente utilizado de desidratação na 
produção de mingaus em secadores de tambor. O material a ser secado é 
preparado em um misturador, adicionando-se os ingredientes desejados (farinha, 
açúcar, vitaminas e etc.). Depois da mistura (5-10 min) o alimento líquido ou 
semilíquido é transportado por meio de uma bomba para a superfície do tambor de 
secagem e igualmente distribuído ao longo dela. Quando na superfície externa do 
tambor de secagem rotatório na forma de uma película fina, o material é então 
desidratado. Após 3/4 de uma revolução do tambor a partir do ponto de alimentação, 
o produto seco é então raspado dos tambores que estão girando em baixa rotação, 
por meio de uma lâmina. Por fim, a película seca é então moída para dar ao produto 
final a forma de um pó fino (Gava, 1978). 
 É de suma importância que, para qualquer processo industrial, se utilizem 
equipamentos adequados. Nesse caso, deve-se observar o tamanho e tipo do 
secador de tambor a ser utilizado, visando a otimização do investimento e custos 
operacionais. Por isso, balanços de massa e energia se tornam cruciais, uma vez 
que permitem a análise do rendimento do aparelho. 
 
.
 
Figura 1. Desenho esquemático da produção de mingaus no secador de tambor 
 
2. Objetivo 
 
 Apesar das diversas técnicas de secagem disponíveis na indústria hoje, o 
secador de tambor ainda apresenta uma enorme importância na produção de 
alimentos desidratados. Tendo isso em vista, a intenção dessa análise é aplicar 
balanços de massa e energia simples nos processos rotineiros da produção de 
mingaus em tambores de secagem. 
 
3. Balanço de Massa 
 
 Também chamado de balanço material, se apoia na lei de conservação da 
massa, onde afirma que a mesma não pode ser criada nem destruída. Os balanços 
de massa pode ser classificados como contínuos, em batelada ou semibatelada, e 
também como processos transientes ou estacionários. No primeiro caso, não existe 
transferência de massa através dos limites do sistema entre o momento da carga da 
alimentação e o momento da retirada dos produtos. Em processos contínuos, as 
entradas e saídas fluem continuamente ao longo do tempo total de duração do 
processo. Processos em semibatelada ou semicontínuos são todos aqueles que não 
são nem contínuos nem em batelada. Por outro lado, se todas as variáveis 
(temperaturas, pressões, volumes, vazões e etc.) não variam com o tempo, o 
processo é dito estacionário. No caso contrário, o processo passa a ser transiente 
ou não-estacionário (FELDER ET. ROUSSEAU, 2013). 
 
 Para Felder (2013), um balanço de uma quantidade conservada em um 
sistema pode ser escrito de acordo com a seguinte equação geral: 
 
ENTRADA + GERAÇÃO - SAÍDA - CONSUMO = ACÚMULO 
(entra 
através 
das 
fronteiras 
do 
sistema) 
 (produzido 
dentro do 
sistema) 
 (sai 
através 
das 
fronteiras 
do 
sistema) 
 (consumido 
dentro do 
sistema) 
 (acumula-
se dentro 
do 
sistema) 
 
Na indústria, a realização do balanço de massa é de suma importância, pois nos 
permite estimar e verificar a ocorrência de perdas ou acúmulos, avaliando a total 
eficiência do processo. 
 
4. Balanço de Energia 
 
 O balanço de energia, por sua vez, possui um conceito semelhante, mas 
sua aplicação é voltada para o consumo energético do processo. Sua origem está 
no alto custo da energia, onde o seu desperdício leva a uma diminuição dos lucros. 
Por exemplo, se uma planta gasta mais energia que seus concorrentes,seus 
produtos se tornarão mais caros e deixarão de ser competitivos no mercado 
consumidor. Com o balanço de energia, é possível que contabilizemos 
cuidadosamente a quantidade de energia que flui para dentro e para fora de cada 
unidade de processo e determinar a necessidade energética global do processo 
(FELDER, 2013). 
 Assim como no balanço de massa, aqui os sistemas também podem ser 
descritos como abertos, fechados, estacionários ou transientes. De maneira geral, a 
equação do balanço de energia pode ser escrita da seguinte maneira 
(HIMMELBLAU, 2011): 
 
∆𝑬 = ∆ (𝑼 + 𝑬𝒑 + 𝑬𝒄) = 𝑸 + 𝑾 − ∆(�̇� + 𝑬�̇� + 𝑬�̇�), onde: 
 
∆𝑬 = ∆ (𝑼 + 𝑬𝒑 + 𝑬𝒄) ∆(�̇� + 𝑬�̇� + 𝑬�̇�) 
São nulos em sistemas 
estacionários, onde não há 
acúmulo de energia. 
São nulos em sistemas fechados, onde não 
há fluxo de massa entre as fronteiras do 
sistema. 
 
 
5. Balanços de Massa e Energia Aplicados a Secadores de Tambor 
 
 Balanços de massa e energia representam a base do controle de processos 
na indústria alimentícia e, consequentemente, na indústria de secagem de 
alimentos. Estes balanços exigem uma atenção especial na indústria em questão, 
devido à complexidade dos alimentos e a importância de componentes secundários 
na qualidade do produto a ser obtido. Balanços de massa e energia em processos 
de secagem podem ser muito simples, ou muito complexos, levando em 
consideração um enorme número de variáveis de processos e parâmetros. 
 Na figura 2 encontramos um esquema de um alimento a ser seco e a 
quantidade de fluxo de vapor necessária para definirmos de maneira adequada os 
resultados finais de balanço de massa e energia. Materiais líquidos ou semilíquidos 
de fluxo de massa 𝑚𝑖 (
𝑘𝑔
𝑠
𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑎) , quantidade de água 𝑋𝑖 (
𝑘𝑔
𝑘𝑔
𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑎) e 
temperatura 𝑇𝑖( 𝐶
𝑜 ) é seco e raspado do tambor de secagem com um fluxo de 
massa 𝑚𝑜 (𝑘𝑔/𝑠 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑎) , e quantidade de água 𝑋𝑜(𝑘𝑔/𝑘𝑔 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑎) e 
temperatura 𝑇𝑜( 𝐶
𝑜 ). A água é retirada do material por aquecimento a um fluxo de 
massa 𝑚𝑤. 
 Portanto, o vapor (fluxo de massa 𝑚𝑠 (
𝑘𝑔
𝑠
), temperatura 𝑇𝑠( 𝐶
𝑜 ) e quantidade 
de calor Q (kW)) está entrando no tambor de secagem transferindo calor para a sua 
parede. Nesse processo, ele se resfria e condensa, deixando o sistema na forma 
líquida (condensado). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 2 Desenho esquemático do fluxo de material alimentar e vapor em um secador de tambor 
 
 
 De uma maneira simplificada, a equação do balanço de massa pode ser 
escrita da seguinte maneira: 
 
Entrada = Saída + Acúmulo 
 
 Portanto, para uma secadora adiabática ideal (sem perdas de massa e 
calor), o balanço de massa pode ser escrito como: 
 
Entrada (fluxo de massa da matéria seca) = Saída (fluxo de massa da matéria seca) 
+ Acúmulo (fluxo de massa da matéria seca) 
 
 Ou seja, 
 
𝑚𝑖 = 𝑚𝑜 + 𝑚𝑤 (Eq.1) 
 
 Considerando que na água evaporada nenhuma matéria seca pode ser 
encontrada, então 𝑚𝑤 = 0, e por consequência: 
 
𝑚𝑖 = 𝑚𝑜 (Eq. 2) 
 
 Já no balanço de energia, quando neste processo, a principal forma de 
energia a ser considerada no estudo é o calor, e, portanto, apenas o balanço de 
calor será realizado. Em aplicações práticas dos processos de secagem de 
alimentos a aplicação do balanço de energia requer o foco no calor, já que se 
caracteriza como a forma dominante de energia. Balanços de calor envolvem 
entalpia e calores específicos de variados processos e vapores. O balanço de 
energia pode ser calculado com base na energia externa utilizada por quilograma de 
produto, ou material cru processado, ou em sólidos secos, ou algum componente 
crucial do processo. 
 A Figura 2 também indica o fluxo de energia requerido para determinar os 
balanços de calor resultantes. A entrada de energia termal no secador 𝑄 (𝑘𝑊) é 
utilizada para aquecer o material sólido 𝑄𝑚(𝑘𝑊) e para evaporar a água 𝑄𝑤(𝑘𝑊), 
presumindo que o secador de tambor seja adiabático, como já dito anteriormente. 
Portanto, a equação geral de balanço de energia para o secador de tambor pode ser 
escrita da seguinte maneira: 
 
𝑄 = 𝑄𝑚 + 𝑄𝑤 (Eq. 3) 
 
portanto, 
 
𝑄𝑚 = 𝑚𝑖(𝐶𝑝𝑚 + 𝑋𝑖𝐶𝑝𝑤)(𝑇𝑜 − 𝑇𝑖) (Eq. 4) 
𝑄𝑤 = 𝑚𝑖(𝑋𝑖 − 𝑋𝑜)(∆𝐻𝑜 − (𝐶𝑝𝑤 − 𝐶𝑝𝑠)𝑇𝑜) (Eq. 5) 
 
onde, 
𝐶𝑝𝑚𝐶𝑝𝑤𝐶𝑝𝑠 - calor específico do material, água e vapor (kJ/kg K). 
∆𝐻𝑜 - calor latente de condensação (kJ/kg) 
𝑋𝑖 , 𝑋𝑜 - composição de água nos estados final e inicial do material (%, base seca) 
 
 O calor pode ser absorvido ou liberado por algumas reações no 
processamento de alimentos, mas normalmente as quantidades são desprezíveis 
quando comparadas aos calores latentes e sensíveis. Calor sensível é aquele que 
quando adicionado ou liberado da matéria prima alimentícia muda a sua temperatura 
e, portanto, pode ser percebido. O calor latente é, por outro lado, o calor requerido 
para mudar o estado físico das matérias. Considerando o secador de tambor como 
não-adiabático, balanços diferenciais do secador devem incluir perdas e ganhos 
locais de calor. 
 
 5.1 Um Exemplo de Balanços de Massa e Energia Simples no Processo 
de Obtenção do Mingau 
 
 A papa - como é popularmente conhecida - é uma das mais importantes 
refeições na dieta de um bebê. Ela pode ser produzida utilizando as mais diversas 
técnicas como secagem por aspersão (spray) ou secagem por tambor. Em seguida, 
demonstramos, através de um exemplo de secagem por tambor, a obtenção do 
mingau seco, à base de cereais, e os seus respectivos balanços de massa e 
energia. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3. Desenho 
esquemático do fluxo de 
massa em um típico 
processo de secagem 
para a obtenção do 
mingau. 
 
 
 A figura 3 representa um exemplo de fluxo de massa no processo de 
obtenção do mingau. Presume-se que o secador de tambor é adiabático e que 
apenas uma perda material de 6% ocorra. Utilizando um simples balanço de massa, 
podemos obter o seguinte: 
 A massa de matéria seca na mistura molhada é de 940kg*(1-0,6) = 367kg, 
enquanto a massa de água na mesma é 940kg - 367kg = 564 kg. A massa do 
produto final pode ser calculada da seguinte maneira: 
 376kg / 𝑚𝑜= 0,95 / 1, obtendo 𝑚𝑜= 396 kg. Portanto, a massa evaporada de 
água é 940 - 396 = 544 kg. 
 O balanço de massa total pode é representado na tabela a seguir: 
 
 Entrada Saída 
Matéria 
Seca 
 400kg Produto 
Seco 
396 kg 
Água 600 kg Descarte 
 Água 36 kg 
 Matéria 
Seca 
24 kg 
 Água 
Evaporada 
544 kg 
 
Total 1000 kg 1000kg 
 
Tabela 1. Dados do balanço de massa no processo de obtenção do mingau. 
 
 Por outro lado, temos também um processo muito simples de balanço de 
energia, já que a única energia a ser considerada é o calor. Presumindo que o 
secador de tambor do exemplo acima utilize vapor saturado (calor latente de 
condensação 2260 kJ/kg) para o processo de obtenção do mingau (temperaturas 
(𝑇𝑖 = 25
𝑜𝐶, 𝑇𝑜 = 100
𝑜𝐶)) o calor requerido total pode ser obtido facilmente. 
 Utilizando a (Eq. 3), obtemos que a energia térmica total necessária para o 
processo é de Q = 392 kW. 
 
 
 
 
 
 6. Considerações Finais 
 
 Balanços de massa e energia possuem uma importância crucial no estudo e 
avaliação de processos industriais, sendo indispensáveis na sua elaboração. Os 
balanços podem se dar de variadas maneiras, e apresentar diferentes graus de 
complexidade. O estudo aqui apresentadovisou trazer balanços simples, mostrando 
a eficácia de metodologias mais acessíveis em processos industriais práticos a fim 
de poupar tempo e obter resultados satisfatórios. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 7. Referências 
 
 FELDER, Richard M.; ROUSSEAU, Ronald W. Princípios Elementares dos 
Processos Químicos. 604 p. LTC, 2013. 
 GAVA, Altenir Jaime. Princípios de Tecnologia de Alimentos. 284 p. NBL, 
1978. 
 HIMMELBLAU, David M.; 1967. Basic Principles and Calculations in 
Chemical Engineering. Prentice-Hall, New 
 Jersey, USA.