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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ – UNIOESTE CENTRO DE ENGENHARIA E CIENCIAS EXATAS – CECE ENGENHARIA QUIMICA – 4a SÉRIE SECAGEM – TIPOS DE EQUIPAMENTOS, DIMENSIONAMENTO, SECAGEM DE ALIMENTOS E OPERAÇÕES DE UMIDIFICAÇÃO E DESUMIDIFICAÇÃO TOLEDO – PR 2014 Maycon Vinícius de Senna Ribeiro SECAGEM – TIPOS DE EQUIPAMENTOS, DIMENSIONAMENTO, SECAGEM DE ALIMENTOS E OPERAÇÕES DE UMIDIFICAÇÃO E DESUMIDIFICAÇÃO Trabalho acadêmico apresentado à disciplina de Operações Unitárias B em cumprimento parcial aos requisitos para obtenção do título de graduação em Engenharia Química na Universidade Estadual do Oeste do Paraná Campus de Toledo. Docente: Aparecido Nivaldo Módenes TOLEDO – PR 2014 INTRODUÇÃO A secagem é um processo inteiramente presente na indústria química, e geralmente é o último processamento do produto antes de sua classificação e embalagem. A qualidade do produto após a secagem, o tempo de secagem e quantidade de energia gasta são parâmetros primordiais para a rentabilidade do processo, e o devido dimensionamento do equipamento adequado a determinado produto. Entendemos por secagem a operação unitária na qual retira-se água agregada a determinado produto sólido por vaporização térmica para uma fase gasosa insaturada. Esse mecanismo de vaporização térmica para a remoção de umidade distingue a secagem de outros processos como a filtração e centrifugação. TIPOS DE SECADORES A vasta pesquisa na área industrial permite que equipamentos cada vez mais sofisticados e específicos sejam aplicados a determinados tipos de produtos. Entretanto, abordaremos aqui os principais tipos de secadores, suas vantagens e desvantagens e devidas considerações na área da escolha dos mesmos, junto ao seu custo. Secador de leito fluidizado São secadores usados verticalmente, de forma que sua geometria facilite o escoamento dos produtos e de gases, de modo a simplificar as instalações. Nesse equipamento o ar de secagem passa por uma placa porosa (perfurada) onde se encontra o produto a ser seco, dessa forma forma-se um leito em suspensão que flutua durante o tempo de processo, formando um leito fluidizado. Figura 1 – Esquema de funcionamento de um secador de leito fluidizado (Ramos, 2013). Geralmente são empregados para grandes vazões de produto e fluxos de gases, especialmente para o processamento de carvões, escórias e minerais em geral. Não é comumente aplicado para produtos agrícolas devido a baixa capacidade de secagem e elevada potência exigida pelo ventilador. É aplicado para areias, minerais, misturas químicas, polímeros e alguns alimentos. Possui alto rendimento e tempo efetivo de funcionamento superior, fácil manutenção (baixo custo) e operação, processo automatizado reduzindo operações manuais, integração total com equipamentos periféricos com capacidade e performance superior. Figura 2 – Secador de leito fluidizado (Ramos, 2013). A empresa MaxiBor possui especificações técnicas do equipamento, descrito abaixo: “Secador de leito fluidizado tem capacidade nominal de 90 t/h. Automático, promove a secagem de escória de altos- fornos e atua com ponto de saturação de 24% e umidade de 0% na saída, usando GLP ou óleos, possuindo capacidade nominal de 90 t/h. Trabalha com inversores de freqüência, CLP e sensores, aloja queimador de 1,5 a 12 GigaCal e de 60 a 200 kW e possui altura total de 20 m e diâmetro maior que 2 m. Funciona alimentado por uma rosca helicoidal e, por ser de leito fluidizado, opera de forma que o material é desagregado pela passagem de ar quente, permitindo que permaneça em seu interior por, no máximo, 10 s. O modelo Cefer admite a verificação e o controle de temperatura do processo de secagem e pós- secagem, mensurando a produção em tempo real. Trabalha com auto- ajuste de consumo e apresenta sistema de segurança, startup e final de processo. Permite a integração com outros equipamentos periféricos.” Segundo MercadoLivre/Alibaba/Cartão BNDES, o preço médio de um equipamento como esse está em torno de R$ 950.000,00. Liofilizador Para entender o funcionamento de um liofilizador é necessário entender o processo de liofilização, que é basicamente uma técnica de secagem por sublimação da água, a pressão reduzida e baixa temperatura. É recomendada para processos sensíveis ao ar de secagem ou outras técnicas convencionais de secagem. Equipamentos cirúrgicos, farmacêuticos e alguns alimentos são submetidos a esse processo por possuírem algum tipo de estrutura interna que seja sujeita à degradação térmica. Um liofilizador geralmente trabalha com -10 ºC e uma pressão absoluta de 2mmHg, e seu processo de secagem ocorre em três etapas: Congelamento do produto; Uma secagem primária, onde a água congelada é removida por sublimação, formando-se poros no interior do produto; Uma secagem secundária, onde ocorre a total remoção da umidade sublimada. A liofilização possui certas vantagens, que fazem o processo ser muito empregado no meio industrial. A sensibilidade térmica do produto sem dúvidas é a maior vantagem do processo, além de que a forma porosa do produto facilita sua dissolução. Segundo o Mercado Livre/Alibaba/Cartão BNDES um liofilizador industrial está em torno de R$ 230.000,00. Figura 3 – Liofilizador Industrial (Ramos, 2013). Secador Atomizador (Spray Dryer) Conhecido como secador por aspersão, é um equipamento que opera apenas com alimentações em fase fluida, convertendo-a em uma forma particulada seca pela aspersão do fluido em um agente de secagem aquecido como o ar. O produto a ser seco parte do tanque de alimentação, passa pelo filtro é transportado por uma bomba dosador e direcionado através do conjunto de alimentação até o distribuidor do disco atomizador. Por outra parte o ar de secagem é aquecido pelo queimador mediante o forno direto, onde através do conduto e distribuído pelo dispersor e entra em contato com a nuvem de produto produzida pelo disco atomizador. A secagem se realiza dentro da câmara, saindo pelos condutos interconectores e chegando ao ciclone de recuperação de pó. Todos os gases são aspirados pelo ventilador e jogados na atmosfera mediante a chaminé. O pó eventualmente depositado nas paredes da câmara é desprendido pelos vibradores. Através da válvula rotativa o produto acabado é recolhido, e mediante a saída de produto pode ser ensacado ou estocado seguindo seu destino final. Os gases do sistema e pequenas partículas coloidais arrastadas por este gases, passam por um venturi que os comprime para hidratá-las e incorporá-las a água de lavagem que está circulando mediante uma bomba centrifuga especifica no lavador. O equipamento é provido de um suporte e uma talha para a correta manutenção e limpeza do atomizador. Figura 4 – Esquema de funcionamento de um secador atomizador (Ramos, 2013). As principais vantagens desse tipo de equipamento são: Versatilidade (obtenção de pós, grânulos ou aglomerados); Obtenção de um produto com granulometria definida e homogênea; Operação contínua; Adaptável à automação; Elevado rendimento por tempo de produção; Economia de produção; Consiste numa técnica de baixo custo, quando comparada à liofilização, e pouco destrutiva quando comparada a outras técnicas que empregam calor. A técnica de Spray Drying é utilizada para vários produtos, dentre eles: adjuvantes, microencapsulação, granulação, modificação de propriedades biofarmacêuticas, pó para aerossol, materiais sensíveis ao calor, proteínas alimentares, enzinas e preparação de extratos secos vegetais a partir de extrato aquoso. Segundo Mercado Livre/Alibaba/Cartão BNDES o valor estimado para um secador atomizador é de R$ 500.000,00. Figura 5 – Secador atomizador industrial (Ramos, 2013). SELEÇÃO DE SECADORES: CONSIDERAÇÕES, DIMENSIONAMENTO E CONSUMO ENERGÉTICO Tendo o conhecimento necessário dos tipos de secadores, temos como objetivo final o dimensionamento doequipamento. Qualquer que seja o tipo de secador a ser construído, suas dimensões, seu comportamento e utilidade dependem do produto a ser processado. Dessa forma, para alcançarmos nossos objetivos devemos responder a três perguntas básicas: Quanto tempo durará a secagem? Quais as dimensões do secador? Qual o consumo energético do processo? A forma ideal de responder a essas perguntas é conhecer o comportamento do produto a ser seco. A curva cinética de secagem oferecerá as respostas para essas perguntas, ou seja, para determinado produto sua curva de secagem deve ser construída para determinar qual o equipamento ideal para a secagem. A curva é determinada utilizando uma secagem em escala laboratorial (por exemplo) de forma a conhecer a umidade do material no início do processo e monitorá-la através de pesagens ao longo do tempo de secagem, até um momento onde as massas não se alterem, o momento na qual a secagem termina. Com esses pontos monitorador e graficados temos a curva do produto. Com os dados obtidos poderemos responder à primeira pergunta, e determinar o tempo necessário de secagem pela equação abaixo: Eq. (01) Existem vários outros métodos de estimação do tempo de secagem quando não são possíveis de determinar analiticamente. Criando tabelas com dados anotados e fazendo regressões não-lineares podemos obter numericamente o tempo necessário de secagem e assim saber quanto tempo o produto deve ficar no secador selecionado sendo processado. A dimensão do secador deve ser feita tendo em mente a quantidade de produto a ser seco (após fazer laboratoriamente a curva de secagem sabemos a quantidade de produto que possui esse comportamento e a área de secagem utilizada), de forma a fazer as devidas conversões para maiores quantidades e área de exposição dos produtos. Claro que essas áreas podem ser diminuídas e a quantidade de produto aumentada de acordo com manipulações de outras variáveis, entretanto esses conceitos relacionam complexas considerações de transferência de massa e calor, que não será discutido aqui. O consumo energético de um secador é simples de ser determinado, pois depende unicamente do consumo nos ventiladores e no aquecimento de ar. Para entender essa forma de consumo, exemplificaremos: “Sabemos que área de exposição é 10 m2/kgsc e para uma massa seca de 5 kg temos uma área de exposição de 50 m2. Para calcular a vazão de ar temos de conhecer a disposição das bandeja para saber como alcançar a velocidade desejada nesta área de exposição. Como o problema é de fluxo paralelo, para uma única bandeja de 10m por 5m em uma velocidade do ar de 1m/s supondo um leito de 10cm de altura sobre a bandeja, temos uma vazão de 1m3/s (10m x 0,1m x 1m/s). Para tal vazão seria necessário 1 ventilador de 3cv. Porém, em um jogo de 50 bandejas de 1m por 1m com 5cm de altura de leito teremos (50 x 0,05m x 1m x 1m/s) uma vazão de 2,5m3/s e seria necessário 1 ventilador equivalente a três ventiladores de 3cv cada para alcançar esta vazão. Supondo que a disposição escolhida tenha sido a primeira, precisaremos de um ventilador que consumirá 3cv de potência.” É importante notar que, o fluxo de ar deverá ser suficiente para vencer a perda de carga na tubulação e no leito de secagem, bem como para arrastar todo a umidade liberada pelo material para fora do secador. Dessa forma, temos conhecimento da potência necessária para um ventilador. O aquecimento do ar funciona de maneira mais simples: devemos utilizar das cartas psicrométricas para saber a temperatura necessária que o ar deve possuir para entra no secador e carregar toda a umidade do produto sem atingir o ponto de saturação (no máximo chegar próximo ao mesmo, mas não recomendado). Usamos esses cálculos e aquecemos o ar, de acordo com a quantidade de calor necessária ao mesmo, e assim obtemos a potência e o consumo energético. Economicamente falando, através de todos esses cálculos prévios feitos, torna-se fácil o dimensionamento do secador com todos os valores de consumo de energia necessários. A área de secagem, a quantidade de produto e o consumo de energia dos ventiladores e do aquecimento de ar já são suficiente necessários para o dimensionamento e seleção do secador. SECAGEM DE ALIMENTOS A secagem de alimentos, em geral, é uma grande preocupação desde a colheita de determinada matéria-prima até os processos industriais e o produto final. A redução das perdas pós-colheita de frutas e hortaliças é uma preocupação para as agroindústrias em geral. Esses vegetais, assim como as carnes, podem ser desidratados ao sol ou por meio de sistemas artificiais para diminuição do conteúdo de água, fator primordial na conservação de alimentos. A secagem de alimentos visa aumentar a vida útil do produto, ser econômica na produção caseira ou semi-industrial, ter baixo custo de armazenagem e facilitar o transporte. Os alimentos possuem valores de umidade em base seca, como os da Tabela 1. Tabela 1 – Valores de umidade em base seca para alguns alimentos. Alimento % b.u. Carne fresca de frango 72 Macarrão fresco 60 Macarrão seco 10 Cenoura 90 Melancia 95 Grãos colhidos no campo 18 Grãos secos 13 Fonte: Castro (2003) Conteúdo de água e atividade de água O conteúdo de água de um alimento é o principal fator causador da deterioração por microrganismos e alterações por reações químicas e enzimáticas. A diminuição desse conteúdo é um modo de conservação do alimento, no entanto quanto maior a umidade final, mais macia a consistência do produto - qualidade apreciada em um produto desidratado. Deve-se ponderar os dois fatores na secagem do alimento, para obter um produto de qualidade e com uma vida útil elevada. Usualmente, o conteúdo de água de um alimento é expresso pelo valor obtido na determinação da água total contida no alimento, sendo o método da estufa o mais utilizado. O conteúdo de água de um alimento não é suficiente para prever sua estabilidade, assim alguns alimentos resultam instáveis apesar de seu baixo conteúdo de água. A atividade de água é um dos fatores mais importantes para a indústria de alimentos, pois quantifica a água disponível para o crescimento de microrganismos e as reações que podem alterar os alimentos, o que possibilita a previsão de estabilidade. A atividade de água pode ser determinada por um medidor de atividade de água, e seu valor varia numericamente de 0 a 1. Na Tabela 2 existem alguns valores de conteúdo e atividade de água para alimentos. Tabela 2 – Valores de conteúdo de água e atividade de água de alguns alimentos. Alimento Conteúdo de água (%b.u.) Atividade de água (Aa) Chips de batata 1,5 0,08 Leite desidratado 3,5 0,11 Biscoitos 5,0 0,20 Farinha de trigo 14,5 0,72 Marmelada 85 0,86 Pão 40 0,96 Carne fresca 70 0,99 Fonte: Castro (2003). O conteúdo de água do pão é menor que o da marmelada, segundo a Tabela 2, no entanto a atividade de água apresenta-se como contrário. Isso comprova a importância na determinação da atividade de água e não somente do conteúdo de água para a estabilidade do alimento. Secagem e tratamentos de pré-secagem Como dito nos tópicos anteriores, a secagem dos produtos depende unicamente de suas propriedades físicas para que possamos escolher o tempo de secagem e o secador adequado, conjuntamente à curva de cinética de secagem. Com os alimentos não há exceções, a curva precisa ser feita e assim as devidas escolhas devem ser feitas, entretanto para não prejudicar os alimentos durante o período de secagem tratamentos de pré-secagem devem ser realizados. Nos vegetais, por exemplo, ocorre o escurecimento por causa da presença da enzima polifenoloxidase (PPO), que é ativada com a exposição das partes internas do vegetal ao oxigênio, por causa do fatiamento. As temperaturas utilizadas nos processos de secagem aceleram essa reação enzimática que causa escurecimento. Perdas nutricionais e modificações sensoriais indesejáveis são as consequênciasdesse processo. Além disso, a ação de microrganismos também é causa de deterioração. O uso de antioxidantes e a operação de branqueamento prolongam a vida útil dos produtos desidratados. Considerações finais A secagem é uma operação extremamente utilizada na conservação de alimentos, e tem sido utilizada por pequenos, médios e grandes agroindustriais na valoração econômica de frutas, hortaliças, farináceos, entre outros. A avaliação nutricional é importante como resposta às condições de secagem, sendo temperaturas altas e longos tempos de secagem os principais fatores responsáveis por essas perdas. Condições mais brandas de secagem podem ser obtidas em leito fluidizado, porém nem todas as matérias-primas estão sujeitas à fluidização. Quanto menores as perdas nutricionais, mais oneroso é o processo de secagem, sendo a liofilização a melhor operação para obter esse resultado. No entanto, ainda não pode ser utilizada por pequenos agroindustriais em virtude do elevado custo do equipamento. OPERAÇÕES DE UMIDIFICAÇÃO E DESUMIDIFICAÇÃO Basicamente podemos classificar os processos de umidificação e desumidificação como sendo processos inversos. A umidificação consiste na passagem de vapor para uma corrente gasosa através do contato da mesma com um líquido mais quente. A desumidificação é a retirada do vapor de uma fase gasosa pelo contato com um líquido mais frio. A umidificação tem como objetivo controlar a temperatura de um ambiente (pela adição de umidade ao ar) ou resfriar e recuperar a água de um processo mediante o contato com ar de baixa umidade, e a desumidificação tem o objetivo muitas vezes de recuperação de solventes e é efetuada usualmente como uma etapa no condicionamento de ar. Equipamentos de umidificação Câmara de nebulização É a forma mais simples de um equipamento de umidificação. O líquido é disperso na forma de uma névoa grossa na corrente de ar, de forma a ocorrer a transferência de massa, com um tempo de contato grande. Figura 6 – Esquema de uma câmara de nebulização (Marques, 2007). Torres de resfriamento Equipamentos mais comuns quando se trata de umidificação. São basicamente usados para o resfriamento de água industrial. A água aquecida é gotejada na parte superior da torre e desce lentamente através de enchimentos de diferentes tipos, de forma que um gás frio é injetado pela base da torre, resfriando a água, em contracorrente. Figura 7 – Esquema de uma torre de resfriamento (Marques, 2007). A maioria das torres de resfriamento são de madeira, por ser um material de baixo custo e isolante. Porém, existem torres de alumínio, aço, tijolos, concreto e chapa de amianto. Figura 8 – Torre de resfriamento industrial (Marques, 2007). Equipamentos de desumidificação Desumidificadores de contato direto São câmaras horizontais, torres de recheio ou colunas de spray. Nesse equipamento um gás quente e úmida entra em contato com um líquido frio, retirando a umidade do gás. O gás já seco é reaquecido até a temperatura desejada. Figura 9 – Esquema de funcionamento de um desumidificador de contato direto (câmara) (Marques, 2007). Esse equipamento pode receber duas classificações, sendo os desumidificadores de contato direto de câmara (Figura 9) e os de torre (Figura 10). Figura 10 - Esquema de funcionamento de um desumidificador de contato direto (torre) (Marques, 2007). Desumidificadores de superfície A maioria dos equipamentos de desumidificação são em forma de serpentinas, onde dentro dessas circula um fluido refrigerante (salmoura, freon, amônia, etc). Dessa forma, o ar úmido entra em contato com as serpentinas, resfria e faz a água presente condensar quando troca calor com as mesmas. Figura 11 – Esquema de um desumidificador de superfície (Marques, 2007). Conceitos importantes Um gás úmido deve ter suas propriedades conhecidas, de forma que o controle dos processos seja muito bem planejado, seja ele de retirada ou de inserção de umidade, ou algum tipo de recuperação ou secagem do ar. A maioria dos secadores trabalha com o ar seco, que vem de processos de desumidificação e aquecimento, para reter assim a maior quantidade de água possível para efetuar a secagem. Através da caracterização do ar, suas propriedades devidamente determinadas (ponto de orvalho, temperaturas de bulbo seco e úmido, capacidade calorífica, entalpia e temperatura, etc) podemos dimensionar de forma concisa um processo de umidificação e desumidificação industrial CONCLUSÃO Os processos de secagem comportam um ramo intenso da indústria, de forma que causa consequências econômicas e rentáveis para bons dimensionamentos dos processos. Conhecer o produto a ser seco é fundamental, de forma que sua curva cinética prediz o tempo de secagem e nos permite dimensionar o melhor secador para cada tipo de produto a ser processado. Os alimentos necessitam de maior atenção devido à ação microbiana e a outros problemas de sensibilidade à etapas de secagem como a temperatura de exposição ou fluxo de ar de secagem. A umidificação e a desumidificação empregam equipamentos que conferem aos transportes de massa, de resfriamento e aquecimento de fluidos de modo a recuperar ou adicionar água à determinado gás. Entretanto, é necessário o conhecimento das propriedades do gás úmido em questão para que qualquer dimensionamento seja feito REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS PARK, Kil Jin, ANTONIO, Graziella Colato, OLIVEIRA, Rafael de Augustos, PARK, Kil Jin Brandini – Conceitos de Processo e Equipamentos de Secagem – Campinas, março de 2007. RAMOS, Henrique Saccomori – Secagem Industrial – Anápolis, 2003. CASTRO, A. G. A. – A Química e a reologia no processamento de alimentos – Lisboa: Ciência e Técnica, 2003. 295 p. CELESTINO, S. M. C. – Princípios de Secagem de Alimentos – Embrapa Cerrados, Planaltina, DF, 2010. SCIENZA, L. – Umidificação e Desumidificação – Abril, 2008. MARQUES, A., RODRIGUES, T. – Umidificação Desumidificação – Federal, 2007.
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