Trabalho FT3 - Secagem de Sementes de Girassol

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
	FOLHA: 4de 19
	
	INSTITUTO DE QUÍMICA
	DEPATAMENTO DE PROCESSOS QUÍMICOS
	
	CURSO: ENGENHARIA QUÍMICA
	DISCIPLINA: DESENVOLVIMENTO DE PROCESSOS
	
	PROFª: ANA MARIA FURTADO
	DATA DE ENTREGA: 05/05/2015
	
	PROGRAMA: SÍNTESE DO ACETATO DE CELULOSE
Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Instituto de Química
Departamento de Projetos e Operações Industriais
Fenômenos de Transferência III
PROCESSO DE SECAGEM DE SEMENTES DE GIRASSOL 
Grupo:
Gustavo Anciens
Hanny Juliani
Juliana Saldanha
Viviane Borges
Professor:
Rodrigo dos Reis
Rio de Janeiro, 17 de julho de 2015
SUMÁRIO
Introdução .....................................................................................................................................2
Relevância.....................................................................................................................................2
Objetivo.........................................................................................................................................2
Revisão Bibliográfica.....................................................................................................................3
Processo de Secagem...........................................................................................................3
Cinética de Secagem.............................................................................................................3
Metodologia...................................................................................................................................3
Análise Física.........................................................................................................................5
Definição do Volume de Controle......................................................................................5
Geometria Apropriada do Volume de Controle.................................................................5
Mistura pseudo- binária.....................................................................................................5
Camada Limite na Fase Gasosa.......................................................................................5
Temperatura......................................................................................................................6
Área de Transferência de Massa e Fluxo Unididerional na Direção z..............................6
Regime Transiente............................................................................................................6
Volume Constante.............................................................................................................7
 5.1.9. Ausência de Água Livre Superficial...................................................................................7
Tratamento do Problema........................................................................................................7
 6. Análise dos resultados e conclusões...........................................................................................11
Referências Bibliográficas...........................................................................................................16
Introdução
As sementes de girassol estão entre as principais oleaginosas cultivadas no mundo. O seu teor de óleo varia entre 38 e 50%, enquanto o teor de proteínas varia entre 20 e 25%. O seu farelo, com ou sem a remoção de óleo, fornece um material básico para ser utilizado numa ampla variedade de alimentos protéicos. Além disso, o mercado de biodiesel tem apresentado uma crescente demanda, tendo como uma de suas fontes de obtenção as sementes de girassol. 
Diante da crescente importância das sementes de girassol como fonte de óleo e proteína, e como matéria-prima para a produção de biodiesel, existe hoje um grande interesse no aumento de sua produção. E em razão desses crescentes volumes de produção, este material requer uma atenção especial, no sentido da adoção de uma técnica de beneficiamento, como a secagem, que permite assegurar a obtenção de sementes com potencial de conservação de suas características físico-químicas e fisiológicas, até o seu aproveitamento como matéria-prima.
Relevância
Atualmente, parte da produção é colhida com alto teor de umidade, a fim de se obter maiores rendimentos, minimizando as perdas causadas pelo ataque de pássaros e por danos mecânicos. No entanto, sementes com alto teor de umidade são mais susceptíveis ao desenvolvimento microbiano, respiram mais vigorosamente, provocando aquecimento, perda de matéria seca e do poder germinativo, bem como desenvolvem ácidos graxos livres mais rapidamente, o que pode comprometer a qualidade do óleo extraído. Logo, o eficiente processamento e armazenamento das sementes requerem que o teor de umidade seja reduzido a níveis adequados através de um processo de secagem.
Dentre os vários métodos de secagem existentes, a secagem convectiva (em leito fixo ou móvel) é uma das técnicas mais utilizadas para remover a umidade de uma grande variedade de materiais biológicos, incluindo grãos e sementes. Isto em razão da simplicidade de construção e facilidade de operação.
Objetivo
Dentro desse contexto, o objetivo deste trabalho foi efetuar uma modelagem da secagem de sementes de girassol, utilizando um secador de convecção forçada, determinando a velocidade da esteira do secador e o tempo necessário para se obter uma concentração “ótima” de umidade em um grão de semente de girassol.
Revisão Bibliográfica
	
Processo de Secagem
A secagem é provavelmente o mais antigo e o mais importante método de preservação praticado por seres humanos. Do ponto de vista técnico-científico, a secagem de sólidos é uma operação complexa envolvendo fenômenos de transporte transientes e transformações físicas, químicas e bioquímicas, as quais por sua vez, podem levar a alterações dos mecanismos de transferência de calor e massa.
O método ainda muito empregado, apesar da grande quantidade de técnicas para a secagem de sementes, é a secagem natural, realizada ao ar livre, na qual os tempos necessários são geralmente longos e nem sempre o produto resultante é de boa qualidade, devido à dificuldade no controle das condições de secagem, causado pela grande dependência dos fatores climáticos. Assim, a secagem natural vem dando lugar a técnicas de secagem artificial, com vistas ao aumento da produtividade e do controle do processo para alcançar um produto uniforme e de boa qualidade.
Cinética de Secagem
O modelo difusivo é o modelo teórico amplamente empregado para descrever o mecanismo de migração de umidade no interior de sólidos durante o processo de secagem, devido à remoção de unidade interna ser muito lenta. Para a descrição da secagem de grãos e sementes, as seguintes hipóteses são usualmente assumidas: 
o grão é considerado uma partícula esférica de raio R; 
o teor de umidade inicial (ρA0) do grão é uniforme; 
a transferência de massa é predominantemente difusiva; 
ocorre difusão radial simétrica; 
o teor de umidade na superfície da partícula atinge instantaneamente o valor de equilíbrio (ρeq) nas condições de temperatura e umidade relativa do processo; 
o coeficiente de difusão efetivo de massa (Deff) é constante e o encolhimento do grão negligenciável.
Porém, para o presente trabalho, o grão será aproximado de um paralelepípedo, devido a sua forma comprida e fina. Dessa forma, ao invés da utilização de coordenadas esféricas, serão adotadas as coordenadas cartesianas.
Metodologia
O secador de esteira é utilizado em larga escala e pode ser utilizado para secar vários tipos de vegetais, cereais, frutas, nozes, sementes e amendoim. O transporte do material é realizado por uma esteira não telada, de forma que apenas a superfície do produto entre em contato com o ar do secador. A câmara de secagem é composta pela união de vários módulos quepossuem sistema de aquecimento, ventilação, recirculação e exaustão própria, e a temperatura, umidade relativa e a velocidade de circulação do ar são controladas. Essas seções são unidas em série formando um túnel através do qual a esteira se movimenta.
 
Figura 1: Representação de secador de esteira Figura 2: Foto de um secador de esteira
Este é um dos métodos mais comuns, onde o calor sensível é transferido para o material por convecção. O agente de secagem (ar pré-aquecido) passa sobre o sólido, evaporando a umidade e transportando-a para fora do secador. Tendo em mente o aumento da eficiência térmica e a economia de energia, uma recirculação total ou parcial do ar de secagem é também utilizada.
Há diferentes recomendações por diversos autores a respeito do grau de umidade que a semente de girassol deve alcançar para que se inicie a colheita, com valores variando de 12 a 17%. CARTER (1978) relatou que, para reduzir a perda de sementes por queda durante a colheita e por ataque de pássaros, opta-se por colher o girassol com umidade em torno de 20-25%, secando-o posteriormente a baixos teores para o armazenamento. Será adotado um valor de teor de umidade inicial, antes da secagem, de 25%, baseado em uma colheita de grãos prematuros. Estes grãos entram no processo a temperatura ambiente, na qual são armazenados previamente.
O teor de água das sementes de girassol recomendado para a conservação segura em longo prazo varia de 5 a 10%. Valores inferiores a 5% não são recomendados, pois apesar da redução da umidade ser importante para a conservação de sementes, existe um conteúdo crítico de água, abaixo do qual, verifica-se a perda de qualidade das sementes em função da desidratação. 
Estabeleceremos para o presente trabalho que o teor de umidade após o processo de secagem deverá ser de 8%.
Adotaremos ainda a temperatura do ar de secagem de 70ºC e umidade relativa do ar de 5% para o processo, passando por uma desumidificação prévia.
Análise Física
Será adotado um conjunto de hipóteses relacionadas ao problema, a partir das quais o fenômeno de secagem de sementes de girassol será modelado. Admitindo que as sementes repousam sobre a esteira e são submetidas a uma corrente de ar pré-aquecido, a uma temperatura T e vazão volumétrica V que passa pela superfície livre das sementes:
Definição do Volume de Controle
Durante o processo de secagem, um gradiente de concentração de água será obtido no interior das sementes, e dessa forma ocorrerá transferência de massa ao longo de cada uma das sementes. Define-se, portanto, uma semente como o volume de controle.
Geometria Apropriada do Volume de Controle
As sementes de girassol são grãos de pequena espessura e largura em comparação com o seu comprimento, de forma que sua geometria pode ser aproximada à de um paralelepípedo.
Mistura pseudo- binária
Cada grão será considerado um sistema pseudo-binário, composto por água líquida (componente A) e por sólido (componente B) que representa tudo aquilo presente no grão que não é água, ou seja, óleos, fibras, carboidratos, minerais e proteínas.
Camada Limite na Fase Gasosa
O ar que entra na estufa apresenta, inicialmente, um teor de água correspondente à umidade do ar, que é pré-determinada. Uma análise rigorosa mostra que, com o passar do tempo, conforme a água se difunde do interior da semente para o ar que flui sobre a sua superfície, surgirá uma região dentro da fase gasosa onde será observado um gradiente de concentração de água, que se estende desde a superfície da semente até uma dada distância z, a partir da qual os turbilhões no fluido garantem uma concentração de água homogênea e igual a CA∞. Essa região da fase gasosa que apresenta um gradiente de concentração de água é denominada de camada limite gasosa. Para a análise inicial do problema, será admitido que a ar que entra no secador apresenta alta vazão volumétrica, escoando em regime turbulento, garantindo assim uma concentração de água uniforme em toda a fase gasosa. Assim, a camada limite gasosa será desprezada e, consequentemente, também o efeito de transferência de massa na fase gasosa. 
Temperatura
	A passagem de água da fase líquida para fase vapor na superfície da semente leva a um consumo de calor, correspondente ao calor latente da água. Dessa forma, rigorosamente, observa-se na fase gasosa uma diminuição gradual da temperatura. No entanto, será admitido que o secador em questão apresenta uma resistência de compensação de calor, de modo a manter a temperatura constante ao longo de todo o comprimento da estufa. 
Área de Transferência de Massa e Fluxo Unididerional na Direção z
Como o comprimento e a largura da semente são muito maiores que sua espessura, será admitido que não há gradiente de concentração de A nas direções x e y, portanto, a transferência de massa ocorre somente na direção Z.
Além disso, admite-se que cada semente está em perfeito contato com a esteira, de forma que a transferência de massa se dá apenas na face superior. 
Regime Transiente
Será admitido um observador situado na esteira, que possui a mesma velocidade da esteira, de forma que as variações de concentração de água no interior do grão ao longo do eixo y são eliminadas, e restam como variáveis independentes, o tempo e a posição ao longo da coordenada z.
Volume Constante
Será admitido que ao longo do processo de secagem, a contração sofrida pelo grão é pequena e, portanto, desprezível, de forma que o volume de cada grão é constante durante todo o tempo de observação.
Ausência de Água Livre Superficial
Para a modelagem dessa primeira etapa do projeto, será admitido que as sementes entram no secador isentas de água líquida na sua superfície, de forma que não se reconhece uma interface líquido-gás na superfície do grão.
Tratamento do Problema
De acordo com o fenômeno físico analisado pode-se fazer determinadas simplificações a fim de se obter o modelo do fluxo. 
O Ponto de partida é a equação da continuidade para coordenadas retangulares:
 (1)
Considerando o fluxo unidirecional na direção z discutido, pode-se zerar os termos da equação que representam os fluxos nas direções x e y. O termo de geração também pode ser zerado, pois não há reação ocorrendo no volume de controle. Desta forma obtêm-se a equação (2):
 (2)
A equação (3) representa a definição de fluxo total, representado pela soma dos fluxos difusivo e convectivo:
 (3)
Pode-se negligenciar o termo convectivo, pois a transferência de massa, nesse caso, é governada pelo fluxo difusivo. Obtendo-se então:
 (4)
E segundo a Lei de Fick:
Substituindo a Lei de Fick na equação da continuidade, têm-se:
 (5)
Estabelecendo a condição inicial e as condições de contorno:
C.I.: (condição inicial) para t=0; , para qualquer z. Sendo a concentração mássica de água na semente.
Em z=0, não há fluxo, pois admite-se que a semente está perfeitamente apoiada sobre a esteira. Pela Lei de Fick:
Logo,
C.C.1: para t >0; em z=0, 
E em z=L, sendo L a espessura da semente, a concentração de água na superfície da semente está em equilíbrio termodinâmico com a concentração de água presente no ar. Essa concentração de equilíbrio foi definida como ..
Para interfaces sólido-fluido, a relação de equilíbrio segue uma expressão análoga à Lei de Henry:
Onde Kp é o coeficiente de partição, é a concentração de água no ar e é a concentração de água na semente.
Logo, para a interface:
C.C.2: para t >0; em z=L, 
Visando obter uma solução para a equação da continuidade (5), define-se uma concentração adimensional para a componente água (A):
O que fornece a equação (5) na forma:
 (6)
E as condições de contorno se tornam:
C.I.: para t = 0; θ = 1, para qualquer z
C.C.1: para t > 0; em z = 0, 
C.C.2: para t > 0; em z = L, θ = 0
A solução da equação (6) é obtida pela técnica de separação de variáveis. Estabelece-se então a seguinte equação como função da posição e do tempo:
θ(z,t) = Z(z)*T(t) (7)
Introduzindoessa função na equação (6) obtém-se:
Separando as variáveis:
 (8)
Como cada lado da equação (7) é função apenas de uma variável, os dois lados só podem ser iguais quando ambos forem iguais à uma mesma constante (-λ²). Então:
e
Cujas soluções são respectivamente:
 e 
Substituindo esses resultados na equação (7) obtêm-se o perfil de concentração em função de constantes de integração. A determinação das constantes pode ser conferida no livro do Marco Aurélio Cremasco – Fundamentos de Transferência de Massa, págs 255-256. O perfil de concentração calculado é:
 , (n=0,1,2,...) (9)
A partir de adimensionalizações chega-se na forma:
 , (n=0,1,2,...) (10)
Onde:
 , e 
sendo o denominador a distância do início da difusão à superfície da matriz considerada. Na presente situação esse parâmetro é igual à espessura do grão de girassol.
Porém, o que se mede normalmente nos ensaios experimentais são as concenrações médias ao longo do tempo. Aplicando o teorema do valor médio ao perfil de concentração, a seguinte equação é obtida:
 , (n=0,1,2,...) (11)
Quando o tempo de remoção de soluto no meio difusivo for elevado ou para z1 muito pequeno, as séries (10) e (11) podem ser truncadas logo no primeiro termo.
Para o estudo das sementes de girassol, como já mencionado anteriormente, a umidade média da semente ao entrar no secador é de 25% e a umidade média desejada é de 8% em base seca. Além disso, a concentração de água do equilíbrio na interface é 1,15%. Esse dado de foi fornecido pelo artigo utilizado como base para o trabalho, caso não fosse conhecido, precisaríamos do valor do coeficiente de partição, que juntamente com o valor da concentração de água no ar (umidade), calcularíasse o valor da concentração de equílibrio a partir da equação .
O coeficiente de difusão efetivo utilizado, Def = 0,5x10-9 m2/s, trata-se de um valor típico para a secagem de madeira. Tal valor foi utilizado pois ambas as matérias primas tratam-se de materias sólidos, orgânicos e porosos. Além disso, a espessura do grão utilizada foi de 0,004453m.
A porcentagem de umidade contida no grão refere-se ao percentual de fração mássica de água, pois em processos de secagem é usual expressar a concentração do soluto em termos de umidade em base seca. Para se obter os respectivos valores em termos de concentração de água, a seguinte equação pode ser utilizada:
Desta forma:
, do qual resulta ;
, do qual resulta ;
.
Assim: 
Truncando-se a série (11) no primeiro termo:
,
Logo:
Da definição do número de Fourie mássico:
Para um secador industrial de esteira com 20 metros de comprimento:
 Para as sementes alcançarem uma umidade média de 8% ao final da secagem, a velocidade da esteira deve ser de 0,9 mm/s. Essa baixa velocidade é necessária devido à lenta transferência de massa na fase sólida, na qual é governada pelo fluxo difusivo.
Análise dos resultados e conclusões
Inicialmente, os cálculos foram realizados utilizando o coeficiente de difusão efetivo encontrado no artigo de referência para este projeto. Seu valor de 0,055 foi considerado alto, e não havia referência quanto a sua unidade. Implementando este valor, obtivemos que o processo de secagem atingiria seu objetivo em ínfimos tempos de passagem na câmara. Então, foi optado por utilizar um coeficiente de difusão efetivo padrão, retirado da publicação de Marco Aurelio Cremasco, 0,5x10-9 m2/s. Com este valor, obtivemos um tempo de secagem aceitável.
Gráfico 1: Variação de versus tempo
 Analisando o gráfico de umidade no interior da semente (que se encontra dentro da expressão de versus tempo de secagem, observamos que o início da secagem é mais rápido. Após certo tempo, a força motriz decresce e o final da secagem se torna mais lento, como observado no gráfico. Como esperado, a umidade decresce com o passar do tempo de secagem.
Gráfico 2: Variação de versus tempo, para uma espessura de 0,002m
Gráfico 3: Variação de versus tempo, para uma espessura de 0,006m
Comparando graficamente duas diferentes espessuras, uma espessura com valor menor que o valor utilizado da semente real e outra espessura com valor maior, verificamos que quanto menor seja esta, mais rápido a semente atinge determinado grau de umidade em seu interior.
Gráfico 4: Variação de versus tempo, para um coeficiente de difusão efetivo com uma ordem maior
Gráfico 5: Variação de versus tempo, para um coeficiente de difusão efetivo com uma ordem menor
Comparando agora dois coeficientes de difusão efetivos, com uma ordem de grandeza a mais e a menos, observamos uma mudança drástica no perfil de concentração. Um coeficiente com uma ordem de grandeza a menos, apresenta pouca redução da umidade ao longo do tempo. Já um coeficiente com uma ordem de grandeza a mais, secaria a semente em um tempo muito menor.
 	Esse efeito era esperado visto o significado físico do coeficiente de difusão, que representa o inverso do atrito oferecido pelo meio ao transporte das espécies, ou seja, o coeficiente pode ser interpretado como a facilidade oferecida pelo meio ao transporte de uma ou mais espécies. Ao aumentarmos o valor do coeficiente, o transporte de água ao longo do meio sólido da semente em direção à superfície é facilitado, o que implica em uma redução do tempo necessário à secagem. Efeito oposto é obtido pelo seu aumento.
Como o coeficiente de difusão é um parâmetro determinado experimentalmente, visto que depende das características tanto do meio (como temperatura e densidade), quanto das espécies presentes (tamanho, natureza química, forma), está altamente sujeito a erros. Assim, relatamos a importância do estudo das características do meio para o cálculo mais preciso possível desse parâmetro.
Ressaltamos ainda que a nomenclatura de coeficiente de difusão efeitivo utilizada neste projeto remete a um parâmetro ajustado experimentalmente, e não ao coeficiente relacionado a porosidade de partícula.
Avaliando a velocidade da esteira, temos que se esta fosse aumentada, haveria um processo convectivo mais acentuado, aumentando a retirada de umidade da semente, porém, apesar da secagem ser feita em um menor tempo, isto implicaria na necessidade de aumentar o tamanho do secador para compensar a maior velocidade.
No artigo de referência, o resultado experimental para o tempo de secagem das sementes, a partir dos mesmos parâmetros, foi de 240 minutos. Concluímos que o tempo encontrado no projeto de modelagem (340 minutos) se aproxima do tempo experimental (240 minutos), apesar de todas as hipóteses impostas, desta forma, consideramos que a modelagem da transferência de massa apresentou um bom resultado.
Referências Bibliográficas 
CREMASCO, Marco Aurélio. Fundamentos de Transferência de Massa. 2ª edição. Campinas: Editora Unicamp, 2012.
DOS SANTOS, Cleiton José Rodrigues. Secagem de sementes de girassol via radiação infravermelho e convecção forçada de ar aquecido. Aracaju, 2009.
TALAMINI, Viviane [et al.]. Avaliação da qualidade física, fisiológica e sanitária de sementes de girassol introduzidas para cultivo em Sergipe. Disponível em: <http://www.cpatc.embrapa.br/publicacoes_2011/bp_67.pdf>. Acesso em: 17/06/2015.
JOSÉ, Solange Carvalho Barrios Roveri; SALOMÃO, Antonieta Nassif; MUNDIM, Rosângela Caldas; PÁDUA, Juliano Gomes. Umidificação de sementes de girassol após ultrassecagem em sílica gel e câmara de secagem. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0101-31222009000300002&script=sci_arttext>. Acesso em 16/06/2015.
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AGUIAR, Rosa Helena. Avaliação de girassol durante o armazenamento, para uso como semente ou para extração de óleo. CAMPINAS-SP, 2001. 74p.
VILLELA, Francisco Amaral; PESKE, Silmar Teichert. Avanços na secagem de sementes - emprego de ar desumidificado por resfriamento. Disponível em: <http://www.seednews.inf.br/_html/site/content/reportagem_capa/imprimir.php?id=125>.Acesso em: 17/06/2015.
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