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MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 1 de 10 PRÁTICA SECAGEM EM TÚNEL DE VENTO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 14/09/2015 REVISÃO A ORIGINAL REV. A REV. B REV. C REV. D REV. E REV. F REV. G REV. H DATA ------------ 14/09/2015 ELABORAÇÂO DOPI Felipe Alves Manual de Operação Secagem em Túnel de Vento MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 2 de 10 PRÁTICA SECAGEM EM TÚNEL DE VENTO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 14/09/2015 REVISÃO A Sumário 1. OBJETIVO ........................................................................................................................ 3 2. DESCRIÇÃO DE EQUIPAMENTO .................................................................................. 3 3. OPERAÇÃO DO EQUIPAMENTO .................................................................................. 5 4. SUGESTÕES PARA O RELATÓRIO ............................................................................... 6 5. BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA................................................................................. 7 ANEXO: FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO DA PRÁTICA ............................................... 7 MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 3 de 10 PRÁTICA SECAGEM EM TÚNEL DE VENTO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 14/09/2015 REVISÃO A 1. OBJETIVO Tem-se como meta no processo de aprendizagem do aluno o estudo da transferência simultânea de calor e massa no processo de secagem de um sólido em túnel de vento. Nesta experiência os parâmetros mais relevantes são relativos à transferência de massa, cujos valores deverão ser determinados em função das condições térmicas e hidrodinâmicas, de acordo com o problema de interesse em engenharia. Neste sentido, trata-se de uma abordagem de caráter didático sobre secagem cujo objetivo é obter as curvas de secagem (teor de umidade vs. tempo) e de taxa de secagem (taxa de secagem vs. tempo) e determinar as etapas características do processo de secagem e o teor de umidade de equilíbrio, bem como avaliar o ajuste de modelos encontrados na literatura aos resultados experimentais. 2. DESCRIÇÃO DE EQUIPAMENTO O equipamento encontra-se esquematizado na Figura 1. O esquema da unidade experimental consiste basicamente de um sistema de escoamento de ar, circuito de aquecimento de ar, desumidificador de ar, circuitos de medidas de temperatura, umidade e velocidade do ar, assim como, a câmara de secagem, propriamente dita. Na unidade experimental o ar de secagem é impulsionado por um soprador tipo compressor radial (1) que impulsiona o ar para o sistema, passando por três válvulas tipo gaveta, de diâmetro 0,0508 m, sendo uma “encarregada” de regular a vazão do ar de secagem que escoa para o aquecedor elétrico (V1), outra em relação ao ar que retorna através de um reciclo para o soprador (V2) e a outra para a descarga na atmosfera (V3), permitindo uma regulagem da razão do ar de secagem. O aquecedor (2), segundo a figura (1), é composto por duas resistências elétricas aletadas (22), com a potência máxima de 1200 watts, em 220 volts. No aquecedor elétrico (2) está conectado um sistema elétrico e eletrônico que controla a quantidade de calor dissipada pelas resistências, ou seja, permite obter a temperatura do ar no valor desejado em cada experiência. O circuito de controle da temperatura no interior da câmara de secagem (9) é composto pelas resistências elétricas (22), termosensor (T7) e o controlador propriamente dito (19). O circuito de medidas de temperatura possui um indicador para cada termopar, T1, T2 e T3, correspondentes às temperaturas de bulbo seco, bulbo úmido e da amostra, respectivamente. Logo após a resistência (2), tem-se a linha L6 (toda a tubulação tem diâmetro nominal de 2”) que contém o tubo Pilot (3) e, em seguida, para a distribuição e homogeneização final do escoamento do ar foi utilizado um rotor (6) e um conjunto de telas no compartimento de secagem da amostra (7) na figura 1. O rotor (6) causa turbulência no ar, fazendo com que o fluido ao passar pelas telas (7) seja homogeneizado. MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 4 de 10 PRÁTICA SECAGEM EM TÚNEL DE VENTO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 14/09/2015 REVISÃO A F ig u ra 1 . C o n ju n to e x p er im en ta l d e se ca g em e m t ú n el d e v en to . MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 5 de 10 PRÁTICA SECAGEM EM TÚNEL DE VENTO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 14/09/2015 REVISÃO A No compartimento de secagem (9) possui uma tampa de acrílico (17) que permite colocar o “box-dryer” (18) dentro do túnel. Após passar pelo compartimento de secagem da amostra, o ar escoa em um tubo cilíndrico de acrílico transparente (10), abastecido de sílica, retorna ao soprador (1) e o “ciclo” se inicia novamente. O material a ser processado deve ser distribuído uniformemente no “box-dryer”, construído em acrílico (18). Encontram-se instalados termopares de com pote rígido e mola flexível no rabicho, de bulbo úmido (T2) e bulbo seco (T1), para efetuar as medidas de umidade do ar de secagem via psicrometria. O tubo do psicrômetro tem diâmetro nominal de ¾ in e aproximadamente 40 cm de comprimento. A medida de temperatura do fluido de secagem é realizada no termopar T3. Tem-se instalado na tubulação L6 o sistema de medida que permite determinar a velocidade superficial no interior da câmara de secagem via tubo Pitot (3). O painel suporta o frasco Mariote de 500 mL e o tubo de vidro inclinado de 56,0 cm contendo água para as medidas das diferenças de pressões estática e dinâmica no Pitot, construído com tubos de aço inox. Além destas condições operacionais, o projeto e a construção do conjunto experimental, bem como, dos sistemas de medidas das variáveis foram executados de forma a permitirem a realização de testes em diferentes condições forçadas com escoamento do ar de secagem em regimes laminar e turbulento. 3. OPERAÇÃO DO EQUIPAMENTO Neste experimento será utilizada uma amostra preparada a partir da mistura de amido de milho (“maisena”), contendo 11% de umidade, com água. A amostra, com umidade conhecida, sofrerá o processo de secagem na forma de uma fina camada, esta formada por meio do espalhamento da amostra em um Box-dryer de dimensões conhecidas. Por meio dos dados experimentais coletados será, então, possível obter as curvas de secagem e de taxa de secagem e determinar as etapas características do processo de secagem e o teor de umidade de equilíbrio, bem como avaliar o ajuste de modelos encontrados na literatura aos resultados experimentais. Os aspectos sobre segurança estão restritos aos cuidados usuais em se manipular sólido e fluido a altas temperaturas, bem como, com instalações elétricas. Para uma correta e segura operaçãodo equipamento, tem-se as seguintes instruções: a) Medir as dimensões do “box-dryer” e pesá-lo; b) Encher o “Box-dryer” com a amostra e pesar; c) Encher o reservatório no qual estará imerso o termopar do bulbo úmido (T2), instalado na parte frontal do tubo do psicrômetro, com água “limpa” até a altura de interesse, recomenda- se próximo ao topo do frasco; MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 6 de 10 PRÁTICA SECAGEM EM TÚNEL DE VENTO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 14/09/2015 REVISÃO A d) Abrir a válvula tipo gaveta (V1), conectada à tubulação L1 de descarga do soprador, girando-a no sentido anti-horário; abrir fechar totalmente as válvulas (V2) e (V3), instaladas nas linhas L3 e L4, respectivamente, girando-os no sentido horário; e) Anotar o valor da posição inicial do nível do manômetro inclinado (4). f) Ligar o soprador (1) via botoeira (13). A velocidade do ar para a operação será obtida a partir do desnível do manômetro inclinado (4), conectado no tubo Pitot, instalado na linha L6, e com suporte no painel (5); g) Ligar a chave seletora do painel de controle e ajustar set point no valor desejado. Não esquecer que as condições operacionais deverão estar com valores constantes para o início do processo de secagem; h) Remover o visor acrílico (17), posicionar o “box-dryier”(18) no interior da câmara de secagem (9) contendo o material a ser processado e recolocar o visor de acrílico (17); i) Abrir a válvula V4 do psicrômetro (14) para fazer a medida de temperaturas dos termopares do bulbo seco, T1, e do bulbo úmido, T2, indicadas no medidor de temperatura (19); j) Anotar os valores de temperatura (T1, T2 e T3), assim como, da variação de massa da amostra em função do tempo (a cada 10 minutos) durante o processo de dessorção de vapor d’água da amostra até atingir o teor de umidade de equilíbrio higroscópico, nas condições operacionais utilizadas; k) Após o término das experiências desligar o soprador (1) e chave seletora do controlador de temperatura; l) Alimentar a planilha previamente elaborada com os dados experimentais adequados e calcular o que se pede no formulário em anexo; m) Apresentar ao professor a planilha e explicar os cálculos realizados; n) Por fim, identificar os componentes do grupo e entregar o formulário ao professor no final da prática. 4. SUGESTÕES PARA O RELATÓRIO a) Faça uma breve revisão bibliográfica sobre o processo de secagem e suas curvas características; b) Explique sucintamente a diferença entre porcentagem de água de um sólido, teor de umidade de um sólido e umidade relativa de um gás; MANUAL DE OPERAÇÃO FOLHA 7 de 10 PRÁTICA SECAGEM EM TÚNEL DE VENTO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves DATA: 14/09/2015 REVISÃO A c) Explique como usar a carta psicrométrica nesta prática; d) Revise os conceitos de tubo de Pitot e manômetro de tubo inclinado; e) Com os dados da prática, determine a umidade relativa e a velocidade do ar; f) Construa as curvas características de secagem: Teor de umidade vs Tempo e Taxa de secagem vs Teor de umidade. Distingue os diferentes períodos no processo de secagem e determine o teor crítico e de equilíbrio; g) Existem na literatura diversos modelos para representar a curva de teor de umidade. Kumar, et al (2010) e Thao, el al (2011), disponíveis no Anexo II, avaliaram o ajuste de modelos semi- teóricos (os mais comumente utilizados para representar a secagem em camada fina) a dados experimentais de secagem de bagaço de cenoura e de amido de batata doce, respectivamente. Este último é o que mais se assemelha à amostra utilizada neste experimento, lembrando que as condições experimentais, o tipo de equipamento de secagem e seu arranjo, também exercem grande influência na secagem. Face ao exposto, compare e avalie o ajuste do modelo teórico proposto por Sherwood e Newman (FOUST, 1982), baseado na lei de Fick, com três modelos semi-teóricos avaliados por Kumar, et al (2010) e Thao, el al (2011), de livre escolha; h) A partir do modelo teórico proposto por Sherwood e Newman (FOUST, 1982), calcule a difusividade efetiva e compare com dados da literatura. 5. BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA FOUST, A. S.; WENZEL, L.A.; CLUMP, C.W; MAUS, L.; ANDERS, L.B. Princípios das Operações Unitárias, 2ª ed., LTC, Rio de Janeiro, 1982. THAO, H.M.; NOOMHORM, A. Modeling and Effects of Various Drying Methods on Sweet Potato Starch Properties. Walailak Journal of Science and Technology, v. 8, n. 2, p. 139-158, 16 nov. 2011. KUMAR, N.; SARKAR, B. C.; SHARMA, H. K. Mathematical modelling of thin layer hot air drying of carrot pomace. Journal of Food Science and Technology, v. 49, n. 1, p. 33-41, 15 fev. 2010. ANEXO: FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO DA PRÁTICA Compare os parâmetros encontrados com os dos artigos FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 1 de 3 PRÁTICA SECAGEM EM TÚNEL DE VENTO REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves GRUPO ENTREGA NOTA RELATORES : Formulário e Questionário Secagem em Túnel de Vento FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 2 de 3 PRÁTICA SECAGEM EM TÚNEL DE VENTO REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia Química II PROFESSOR Felipe Alves GRUPO 1. DADOS EXPERIMENTAIS 1.1. Materiais Box dryer Dimensões do reservatório de amostra Largura a (m) Comprimento a (m) Profundidade a,b (m) Área c (m²) a – Realizar 3 medidas e usar a média. b – Será a espessura da camada de amostra. c – É a área de amostra exposta = Largura x Comprimento. Massas (Amostra) Amostra original Amostra úmida Total a (kg) Em base seca b (kg) Água c (kg) Amostra + água adicionada (kg) Água adicionada (kg) Água total d (kg) Teor de umidade e Box Dryer (kg) Box Dryer + Amostra úmida (kg) Amostra úmida (kg) Base seca b (kg) Água c (kg) a – Massa de amostra pesada diretamente. b – Massa de amostra descontada a quantidade de água contida na amostra. c – Massa de água contida na amostra. d – Soma da massa de água contida na amostra original com a de água adicionada. e – Massa de água/Massa de amostra em base seca (adimensional). 1.2. Condições experimentais Ar de secagem – Vazão e velocidade ρágua (kg/m³) ρar (kg/m³) Δh manômetro (m) Velocidade máxima (m/s) Velocidade média a (m/s) Duto de seção circular Diâmetro (m) Área (m²) Vazão (m³/s) Duto de seção retangular Largura (m) Altura (m) Área (m²) Velocidade (m/s) a – Considerar: velocidade média = 0,8 x velocidade máxima. FORMULÁRIO E QUESTIONÁRIO FOLHA 3 de 3 PRÁTICA SECAGEM EM TÚNEL DE VENTO REALIZAÇÃO UNIDADE Instituto de Química DEPART. Operações e Processos Industriais DISCIPLINA Laboratório de Engenharia QuímicaII PROFESSOR Felipe Alves GRUPO 1.3. Secagem T set point (ºC) = Amostra em base seca no Box dryer (kg) = Tempo (s) Massa (kg) Água (kg) Teor de umidade Temperatura (ºC) Bulbo seco (T1) Bulbo úmido (T2) Ar de secagem (T3) 1.4. Resultados. Cálculo do DL* experimental - Sherwood e Newman (FOUST, 1982) Erro : DL* (m 2 /s): OBS.: Para montar a planilha que determinará o DL*, por meio da minimização do erro: 1º - Monte o cálculo do teor de umidade ( ) em função do teor de umidade inicial ( ), do teor de umidade no equilíbrio ( ), da espessura da camada de amostra (L), do tempo (t) e do coeficiente de difusão (DL*). 2º - Monte o cálculo do erro entre e e use o Solver para minimizá-lo variando o DL*.
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