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DISCIPLINA OPERAÇÕES UNITÁRIAS II (AULA 2) Professor Pedro Prates Valério Curso: Engenharia Química Centro Universitário UNA Belo Horizonte 2017/2 SECAGEM 2 FOUST: CAPÍTULO 18 PÁGINA 401 LEGENDA: SECADOR ROTATÓRIO: VISTAS EXTERNA E INTERNA SECAGEM 3 FOUST: CAPÍTULO 18 PÁGINA 401 LEGENDA: SECADOR DE LEITO FLUIDIZADO E ATOMIZADOR MOTIVAÇÃO FINALIDADES ➢ ACABAMENTO DE PRODUTOS FINAIS ➢ EQUILIBRIO COM O AR AMBIENTE ➢ COURO, CELULOSE, MADEIRAS, PLÁSTICOS ➢ CONSERVAÇÃO ➢ PRESERVAÇÃO ➢ PRODUTOS AGRÍCOLAS (HIGROSCÓPICOS) ➢ PRODUTOS FARMACÊUTICOS (GRANULADOS) ➢ DESENVOLVIMENTO BACTERIANO ➢ ALTERAÇÃO DE VOLUME ➢ DESENPENHO ➢ TRANSFERÊNCIA SIMULTÂNEA: CALOR E MASSA 4 CONCEITO ➢ OP. UNITÁRIA QUE ENVOLVE TRANSFERÊNCIA DE MASSA E CALOR, ENVOLVENDO UM SOLVENTE / LÍQUIDO QUE SE ENCONTRA, INICIALMENTE, EM UM SÓLIDO, PARA UMA FASE GASOSA NÃO SATURADA ➢ CONDIÇÕES CONTROLADAS ➢ EMBORA TAL OP.UNIT. POSSA SE REFERIR À REMOÇÃO DE QUALQUER SOLVENTE, NOS REFERIREMOS À ÁGUA ➢ MATERIAIS BIOLÓGICOS ➢ ANCESTRAIS: CONSERVAÇÃO 5 O TERMO SECAGEM ➢ O TERMO SECAGEM SE REFERE À REMOÇÃO MECÂNICA DE UMIDADE, ENVOLVENDO UMA CORRENTE DE GÁS ➢ O OBJETIVO DA SECAGEM REMOVER O TEOR DE SOLVENTE ATÉ VALOR MENOR DO QUE O INICIAL EVAPORAÇÃO NÃO DISPONDO DO AUXÍLIO DE CORRENTE PARA REMOÇÃO DA UMIDADE, DEIXA DE SER CONSIDERADA SECAGEM 6 INÍCIO ➢ DIFICILMENTE: PLANTA INDUSTRIAL OU SETOR DE P&D NÃO DISPÕE DE EQUIP. DE SECAGEM ➢ INVESTIGAÇÃO DA SECAGEM E O CÁLCULO DAS DIMENSÕES DOS EQUIPAMENTOS LEVAM EM CONSIDERAÇÃO: MEC. FLUIDOS, QUÍMICA DAS SUPERFÍCIES E DA ESTRUTURA DOS SÓLIDOS, PROBLEMAS DE VELOCIDADE DE TRANSFERÊNCIA. IMPORTÂNCIA MANEJO, PREPARO, CUSTO, CAPACIDADE EQUIP., PRESERVAÇÃO, APROVEITAMENTO, VALOR 7 8 O PROJETO DO SECADOR ➢ COTAÇÃO PERFEITA (U$) > Secagem da Madeira Líquido no interior das fibras Difusão Lenta, Superfície seca > Secagem de Detergente Nebulização Formação de camada Esferas ocas, aglomerados Comportamento geral na Secagem LEGENDA: Torre de Secagem Spray Dryer: Leite e Soro PROCESSOS FUNDAMENTAIS TRANSFERÊNCIA DE CALOR O CALOR FLUI DO AMBIENTE PARA A SUPERFÍCIE EXTERNA DO SÓLIDO E, EM SEGUIDA, PARA O LÍQUIDO NO INTERIOR DE TAL SÓLIDO TRANSFERÊNCIA DE MASSA INTERIOR DO SÓLIDO: NAS FORMAS LÍQ E VAPOR NA SUPERFÍCIE: NA FORMA DE VAPOR P/ AMBIENTE 10 11 MECANISMOS E CONCEITOS FUNDAMENTAIS SECAGEM DE SÓLIDOS SÓLIDO ÚMIDO A SECAGEM DE UM SÓLIDO ÚMIDO MEDIANTE UM GÁS COM ESCOAMENTO CONSTANTE, TEMPERATURA e UMIDADE FIXAS MANIFESTA-SE SOB COMPORTAMENTO PADRÃO TEMPERATURA DO SÓLIDO E. VELOCIDADE DE EVAPORAÇÃO PODEM AUMENTAR OU DIMINUIR P/ ATINGIR REGIME PERMANENTE Curva de secagem típica em condições constantes: TEOR DE UMIDADE X TEMPO 12 MECANISMOS E CONCEITOS FUNDAMENTAIS SECAGEM DE SÓLIDOS SÓLIDO ÚMIDO A SECAGEM DE UM SÓLIDO ÚMIDO MEDIANTE UM GÁS COM ESCOAMENTO CONSTANTE, TEMPERATURA e UMIDADE FIXAS MANIFESTA-SE SOB COMPORTAMENTO PADRÃO TEMPERATURA DO SÓLIDO E. VELOCIDADE DE EVAPORAÇÃO PODEM AUMENTAR OU DIMINUIR P/ ATINGIR REGIME PERMANENTE Curva de secagem típica em condições constantes: TAXA DE SECAGEM versus TEOR DE UMIDADE 13 MECANISMOS E CONCEITOS FUNDAMENTAIS SECAGEM DE SÓLIDOS Curva de secagem típica em condições constantes Após contato AMOSTRA/MEIO SECANTE: Trecho AB – PERÍODO DE TAXA CRESCENTE ✓ A temperatura do sólido é MENOR do que a T.ambiente ✓ O calor transferido do Ar para Sólido é maior do que calor transferido do sólido para evaporar o solvente. 14 MECANISMOS E CONCEITOS FUNDAMENTAIS SECAGEM DE SÓLIDOS Curva de secagem típica em condições constantes Trecho BC – PERÍODO DE TAXA CONSTANTE ✓ A temperatura do sólido é IGUAL à T.ambiente. ✓ V de secagem permanece inalterada com diminuição do teor umidade ✓ O calor é transferido para a SUPERFÍCIE de secagem do sólido, basicamente, por CONVECÇÃO 15 MECANISMOS E CONCEITOS FUNDAMENTAIS SECAGEM DE SÓLIDOS Curva de secagem típica em condições constantes Trecho CDE – PERÍODO DE TAXA DECRESCENTE ✓ Se inicia quando a umidade do sólido atinge um valor determinado denominado UMIDADE CRÍTICA ✓ O PERÍODO SE DIVIDE EM DUAS ZONAS 1) CD = ZONA DE SUPERFÍCIE DE SECAGEM NÃO SATURADA 2) DE = ZONA EM QUE O FLUXO INTERNO DE SOLVENTE CONTROLA O PROCESSO 16 MECANISMOS E CONCEITOS FUNDAMENTAIS SECAGEM DE SÓLIDOS Curva de secagem típica em condições constantes Trecho CD – zona de superfície de secagem NÃO SATURADA ✓ Se inicia após atingir-se a umidade crítica ✓ A superfície do sólido apresenta áreas secas que se ampliam. ✓ A taxa de secagem reduz, sendo relativa à toda a área do sólido em contato com o ar ✓ Evaporação ocorre na superfície do sólido, com baixa resistência interna à difusão em comparação com a resistência para remver vapor da superfície ✓ T do sólido aumenta: Recebe calor tal qual na fase de Taxa const., sem que ocorra igual evaporação 17 MECANISMOS E CONCEITOS FUNDAMENTAIS SECAGEM DE SÓLIDOS Curva de secagem típica em condições constantes Trecho DE – fluxo interno de água controla taxa de secagem ✓ Os fatores que influenciam a taxa de secagem são os mesmos que afetam a difusão da água através de sólidos ✓ A umidade do ar não exerce efeito sobre a taxa de secagem ✓ Assim, tal taxa depende da resistência à difusão da água ✓ À medida que a umidade diminui, decresce a velocidade de difusão interna da umidade 18 MECANISMOS E CONCEITOS FUNDAMENTAIS SECAGEM DE SÓLIDOS Curva de secagem típica em condições constantes PONTO E – TAXA DE SECAGEM: PRÓXIMA DE “ZERO” ✓ Certo teor de UMIDADE DE EQUILÍBRIO ✓ MENOR TEOR DE UMIDADE ATINGÍVEL, dadas as condições de processo Classes de Materiais em função do comportamento na secagem 20 Classes de Materiais em função do comportamento na secagem COM BASE NO COMPORTAMENTO DURANTE A SECAGEM É POSSÍVEL DIVIDIR OS MATERIAIS EM DUAS CLASSES PRINCIPAIS 1) SÓLIDOS GRANULARES OU CRISTALINOS • RETÊM A UMIDADE NOS INTERSTÍCIOS ENTRE AS PARTÍCULAS E OS POROS SUPERFÍCIAIS • UMIDADE MOVIMENTA-SE DE FORMA RELATIVAMENTE LIVRE E OCORRE EM CONSEQUÊNCIA DA INTERAÇÃO ENTRE FOORÇAS GRAVITACIONAIS E FORÇAS DE TENSÃO SUPERFICIAL • O PERÍODO DE TAXA CONSTANTE (BC) SE ALONGA ATÉ TEORES BAIXOS DE UMIDADE • PERÍODO DE TAXA DECRESCENTE (CDE) PODE ASSUMIR FORMA APROXIMADA DE UMA RETA • CONDIÇÕES DE SECAGEM PODEM SER ASSUMIDAS DEPENDENDO DA CONVENIÊNCIA, COMODIDADE E VANTAGEM ECONÔMICA 21 Classes de Materiais em função do comportamento na secagem 2) SÓLIDOS ORGÂNICOS (AMORFOS, FIBROSOS OU GÉIS) • RETEM UMIDADE COMO PARTE INTEGRAL DA ESTRUTURA OU NO INTERIOR DAS FIBRAS / PEQUENOS POROS INTERNOS • MOVIMENTO DA UMIDADE É LENTO (POR DIIFUSÃO DO LÍQUIDO ATRAVÉS DA ESTRUTURA DO SÓLIDO) • PERÍODOS CURTOS DE TAXAS CRESCENTE (AB)e CONSTANTE (BC) • VALORES ELEVADOS DO TEOR CRÍTICO (C) • MAIOR PARTE DO PROCESSO CONTROLADA POR DIFUSÃO (DE) • ELEVADO TEOR DE UMIDADE NO EQ (E) • ELEVADA QUANTIDADE DE ÁGUA NA INTIMAMENTE RETIDA ESTRUTURA / POROS DELGADOS (Pv reduzida) • CAMADAS EXTERNAS TENDEM A SECAR MAIS RAPIDAMENTE • TAXA DE SECAGEM ELEVADA: DIFERENÇAS INTERNAS E EXTERNAS CONDIÇÕES DE SECAGEM > CRÍTICAS (EFEITOS, ECONÔMICOS, COMODIDADE) DETERGENTES, ALIMENTOS, COLAS, ENTRE OUTROS Movimento da Umidade 23 Movimento da Umidade DADO O INÍCIO DA EVAPORAÇÃO NA SUPERFÍCIE DE UM SÓLIDO, A UMIDADE SE DESLOCA DAS CAMADAS INTERNAS P/ A SUPERFÍCIE. TAL CIRCUNSTÂNCIA SE FAZ DETERMINANTE NA SECAGEM DURANTE O PERÍODO DE TAXA DECRESCENTE (CDE) PODE OCORRER POR 2 MECANISMOS (DEPENDENDODO MATERIAL) ➢DIFUSÃO INTERNA: MOVIMENTO POR DIFERENÇA DE CONCENTRAÇÃO ➢ESCOAMENTO CAPILAR: ESCOAMENTO DE UM LÍQUIDO PELOS INTERSTÍCIOS DE UM SÓLIDO, OU SOBRE UMA SUPERFÍCIE, POR ATRAÇÃO MOLECULAR ENTRE AS FASES LEGENDA: DISTRIBUIÇÃO DA UMIDADE EM UM LEITO SÓLIDO PARTICULADO DURANTE OS PERÍODOS DE UM PROCESSO DE SECAGEM 24 Movimento da Umidade MECANISMO DA DIFUSÃO: MOVIMENTO DA UMIDADE ➢ EM SÓLIDOS RELATIVAMENTE HOMOGÊNEO (POR EXEMPLO, OS ORGÂNICOS) A UMIDADE MOVIMENTA-SE (PROVAVELMENTE) EM VIRTUDE DE DIFUSÃO MOLECULAR ➢ A VELOCIDADE DO MOVIMENTO É EXPRESSA PELA LEI DE FICK ➢ Lei quantitativa na forma de equação diferencial que descreve diversos casos de difusão de matéria ou energia em um meio no qual inicialmente não existe equilíbrio químico ou térmico Adolf Eugen Fick a derivou em 1855. DL = COEFICIENTE DE DIFUSÃO DE UM LÍQUIDO APLICÁVEL AO MOVIMENTO ATRAVÉS DE UM SÓLIDO (m²/ s OU ft² / h) 25 Movimento da Umidade A INTEGRAÇÃO DESSA EQUAÇÃO REQUER QUE AS CONDIÇÕES DE CONTORNO SEJAM CONHECIDAS NOS CASOS MAIS SIMPLES, ASSUME-RE: * D = constante * SECAGEM OCORRE EM APENAS EM UMA FACE DE UMA PLACA * FACES LATERAIS E FACE DO FUNDO = ISOLADAS * UMIDADE UNIFORMEMENTE DISTRIBUÍDA NO ESTADO INICIAL Sherwood e Newman 26 Movimento da Umidade MECANISMO DA CAPILARIDADE: MOVIMENTO DA UMIDADE ➢ EM SÓLIDOS GRANULADOS OU ESTRUTURAS QUE APRESENTAM POROS ABERTOS O MOVIMENTO É CONSEQUÊNCIA DAS FORÇAS RESULTANTES DAS DIFERENÇAS ENTRE PRESSÃO HIDROSTÁTICA (depende da profundidade, da densidade do líquido e da gravidade local) E OS EFEITOS DA TENSÃO SUPERFICIAL (faz com que a camada superficial de um líquido venha a se comportar como uma membrana elástica) ➢ A TENSÃO SUPERFICIAL PROVOCA UA PRESSÃO SOBRE A SUPERFÍCIE ENCURVADA, QUE É DIFERENTE DA PRESSÃO SOBRE UMA SUPERFÍCIE PLANA. P/ uma ESFERA DE RAIO r DEMONSTRA-SE: 27 Movimento da Umidade ➢ O RAIO NA FÓRMULA APRESENTADA É POSITIVO, NO CASO DE UMA BOLHA DE GÁS IMERSA EM UM LÍQUIDO E NEGATIVO NO CASO DE UMA GOTÍCULA DE LÍQUIDO EM UM GÁS. ➢ QUANDO SE INSERE UM PEQUENO TUBO NO LÍQUIDO, A ASCENÇÃO DO LÍQUIDO NO TUBO PODE SER DETERMINADA MEDIANTE UM BALANÇO DE FORÇAS NO PONTO A. ➢ A SUPERFÍCIE DO LÍQUIDO NO TUBO TEM RAIO DE CURVATURA IGUAL AO RAIO DO TUBO SOMENTE QUANDO O LÍQUIDO MOLHA COMPLETAMENTE O TUBO E O ÂNGULO DE CONTATO NA PAREDE DO TOBO É IGUAL A “ZERO” 28 Movimento da Umidade O QUANDO ISSO OCORRE • A SUPERFÍCIE DO LÍQUIDO NO TUBO TEM RAIO DE CURVATURA IGUAL AO RAIO DO TUBO • O LÍQUIDO MOLHA COMPLETAMENTE O TUBO • O ÂNGULO DE CONTATO NA PAREDE DO TOBO É IGUAL A “ZERO • r PODE SER IGUALADO O BALANÇO DE FORÇAS É IGUAL A 29 Movimento da Umidade EM TEORES DE UMIDADE MAIS BAIXOS (CD) A INTERFACE DO LÍQUIDOPRINCIPIA-SE A AFASTAR-SE DA SUPERFÍCIE. ESTA RETRAÇÃO NÃO É UNIFORME. O LÍQUIDO NOS POROS MAIORES É ATRAÍDO PARA O INTERIOR DO SÓLIDO POR AÇÃO DE FORÇAS DE TENSÃO SUPERFICIAL E SUPRE POROS MENORES. À MEDIDA QUE A SECAGEM AVANÇA, O LIQUIDO NOS POROS MAIORES SEGUE A RECUAR ATÉ O PONTO EM QUE O DESEQUILÍBRIO DAS FORÇAS CAPILARES SEJA ANULADO PELAS FORÇAS GRAVITACIONAIS (FIGURA) A TAXA GLOBAL DE SECAGEM É REDUZIDA SITUAÇÃO FÍSICA PARA SÓLIDOS GRANULARES (2) PERÍODOS MAIS AVANÇADOS: T.MEIO SECANTE = T. SUPERFÍCIE NO FINAL DA SECAGEM, A UMIDADE SE ENCONTRA EM PEQUENAS BOLSAS MECANISMO: DIFUSÃO DE CALOR E DE MASSA, ATRAVÉS DO SOL. POROSO Equipamentos industriais VÍDEOS DE EQUIPAMENTOS SECADORES 31 Equipamentos industriais Os primeiros secadores foram os de bandeja, túnel, rolos. Ar quente fluindosobre uma extensa área do produto, removendo agua superficial. Tornaram-se muito uteis para remoção de umidade em grãos, tanto em processos contínuos quanto em batelada. Segunda geração: Atomizadores, desenvolvidos para a secagem de líquidos Terceira geração: Liofilizadores, superando perdas de voláteis. Mais recentes: Alto vácuo, ultra-temperatura, extrusão, leito fluidizado, radiofrequência. A escolha se baseia no método de manufatura, matéria-prima, produtos intermediários, especificações dos produtos finais,. CONTINUAREMOS NA PRÓXIMA AULA...