secador flash

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Secador flash 
 
- o secador processa um fluxo contínuo de material particulado 
- este material é seco pelo contato com ar aquecido enquanto é 
transportado pela corrente de ar 
 
- resfriamento e secagem não podem ser combinados em um secador 
- o produto seco é freqüentemente resfriado em um sistema de transporte 
pneumático, mas existem outros equipamentos de resfriamento 
 
- é um equipamento simples, ocupa pouco espaço e possui poucas partes 
móveis 
 
- é viável combinar secagem e transporte vertical 
- velocidade do gás de saída entre: 10-30 m/s 
- a velocidade do gás do secador flash excede a velocidade do gás dos 
secadores rotatório e leito fluidizado por um fator de 10 
- a velocidade do gás relativamente alta requer ciclones grandes ou “bag 
houses” 
 
- tamanho máximo da partícula a ser seca: 1-2 mm 
o pois partículas maiores não são envolvidas pelo ar e requerem 
um tempo de secagem maior do que aquele alcançado pelos 
secadores flash 
- é susceptível a excesso de carga porque o material não pode ser 
transportado a altas taxas de alimentação 
- a alta velocidade do gás pode resultar em abrasão ou formação de 
poeira; o que aumenta os custos de manutenção 
- a formação da poeira é promovida pela alta velocidade do gás quando 
partículas menores são geradas pela atrição de partículas maiores 
(desgaste) 
- outro fator que favorece a formação de poeira: tempo de residência curto 
- a formação de poeira é um problema sério, podendo culminar em 
explosão 
- um aspecto que concerne a segurança do processo é o “hold up” 
mínimo dos secadores flash 
- composição do material: não pode aderir à seção de alimentação 
- material não seco adequadamente 
o retromistura 
o moagem 
o combinação das duas operações 
- o secador flash pode possuir um sistema de classificação do produto 
seco 
- quando as partículas mais grosseiras retornam à seção de alimentação 
para secagem adicional, elas podem ser cominuídas 
- é possível colocar diversos secadores flash em série para promover 
tempo de residência adicional ou para secagem em diferentes condições 
- é possível, também, o arranjo em série do secador flash e outro secador 
(leito fluidizado) 
- geralmente, o ar utilizado para secagem é suficiente para o transporte; 
entretanto, é importante não exceder a razão de massa sólido/ar de 1 
o exceções: materiais grosseiros (partículas de 500 µm) contendo 
pouca umidade (2-3% de água em peso) a elevadas temperaturas 
(350°C) 
- a degradação térmica de materiais orgânicos depende de três fatores: 
o tempo, temperatura e concentração 
- em geral, a seção de alimentação apresenta uma pequena pressão 
negativa 
o prevenção contra incrustrações 
o prevenção contra emissões de poeira na seção de alimentação 
- o diâmetro do tubo de secagem pode alcançar 1 m 
- o comprimento pode variar entre 10 e 30 m 
- controle da operação de secagem 
o através do combustível ou fluxo de vapor com base na 
temperatura de saída do ar 
- o secador deve ser capaz de agüentar fluxos de alimentação variáveis 
pois, geralmente, não há proteção entre o sistema de separação 
líquido/sólido e o secador; o “hold-up” de sólidos úmidos não é 
facilmente controlado. 
- é recomendável não variar o fluxo de ar, pois isto afeta o transporte 
- a parte interna do secador deve ser uniforme para evitar incrustrações 
- manutenção: os secadores flash requerem até 5% de investimentos 
anuais 
 
Aplicações 
- Alumina 
- Ração animal 
- Carbonato de cálcio 
- Catalisadores 
- Celulose 
- Argila 
- Fibra de milho 
- Grãos destilados 
- Sulfato de magnésio (epsomita) 
- Glúten 
- Gesso (gipsita); Caolim 
- Pigmentos 
- PVC; Polietileno; Polipropileno; Poliestireno 
- Proteínas 
- Sílica 
- Bicarbonato de sódio 
- Amido 
- Resinas sintéticas 
- Madeira particulada 
- Zeólitos 
 
 
 
 
 
Sistema simples 
 
 
Tempo de residência extendido 
 
 
Reciclo parcial 
 
 
Sistema combinado 
 
 
Sistema fechado 
 
 
Dois estágios 
 
 
Curva de temperatura e secagem 
 
EXEMPLO 1 
 
Considerar a secagem rápida de um material orgânico que consiste de 
partículas esféricas com diâmetro de 250 µm e com umidade inicial de 10% em 
peso. A temperatura do ar de entrada é 225°C; a troca de calor determina a 
taxa. 
 
DADOS 
 
Sólido 
Insolúvel em água 
 
250 µm (esferas) 
 
ρs = 1200 kg/m3 
λs = 0,2 W/m.K 
CP = 1,2 kJ/kg.K 
 
Ar 
 
RA = 1,29 kg/m3 a 0°C e 1 bara 
Cp = 1,0 kJ/kg.K 0-200°C 
ηa = 21,8 x 10-6 N.s/m2 a 100°C 
 25,9 x 10-6 N.s/m2 a 200°C 
λa = 0,0300 77°C 
 0,0338 127°C 
 0,0373 W/m.K a 177°C 
 0,0407 227°C 
 
Água 
 
CPv = 1,886 kJ/kg.K 
CPw = 4,19 kJ/kg.K 
∆H = 2504 kJ/kg a 0°C 
 
DADOS DE OPERAÇÃO 
 
Alimentação 
 
20°C 
A1 = 10% em peso 
 
Produto 
 
2000 kg/h 
60°C 
A2 = 0,5% em peso 
 
 
Ar ambiente 
 
10°C 
60% umidade relativa 
 
Ar aquecido 
 
Fluxo indireto de calor 
225°C 
 
Gás de secagem 
 
77°C 
 
 
BALANÇO DE MASSA (kg/h) 
 
Entrada Saída 
 --------------------------------------------- 
H2O ma 10 
 --------------------------------------------- 
Sólidos 1990 1990 
 --------------------------------------------- 
Total mt 2000 
 
 
mt = 1990 + ma 
ma = 0,1mt 
 
 
ma = 221 mt = 2211 
 
Água evaporada: 221 - 10 = 211 
 
CALOR LÍQUIDO (kJ/h) 
 
O calor líquido é o calor absorvido pelo processo. 
 
Aquecimento de água, evaporação e aquecimento do vapor: 
 
Q1 = mae (∆H + (CPv x T) – (CPw x T) 
Q1 = 211 (2504 + 1,886 x 77 - 4,19 x 20) 
Q1 = 541304 kJ/h 
 
Aquecimento do sólido 
 
Q2 = ms x CP x ∆T 
Q2 = 1990 x 1,2 x (60 - 20) 
Q2 = 95520 kJ/h 
 
Aquecimento da água restante 
 
Q3 = ma x CPw x ∆T 
Q3 = 10 x 4,19 x (60 – 20) 
Q3 = 1676 kJ/h 
 
QT = Q1 + Q2 + Q3 
QT = 638500 kJ/h 
 
PERFIL DA TEMPERATURA 
 
Transferência de calor 
 
QT = U x A x (∆T)m 
 
(∆T)m = ((225 - 47) - (77 - 47))/(loge ((225 –47)/(77-47))) 
(∆T)m = 83,1 K 
 
Em que Twb = 47oC é a temperatura de bulbo úmido, considerada ser a 
temperatura do sólido. 
 
Equação de Froessling 
 
Número de Nulsset 
Nu = 2 + 0,552 x Pr1/3 x Re1/2 (somente o ar seco é considerado) 
 
Número de Reynolds 
Re = (RA x ν x d50)/ηa 
 
 Calculado a (225+77)/2 = 151°C 
 
RA = 1,29 x 273/(273+151) = 0,83 kg/m3 
d50 = 250 x 10-6 m 
ηa = 23,9 x 10-6 N.s/m2 
 
velocidade terminal = 1 m/s 
 
Re = (0,83 x 1 x 250 x 10-6)/(23,9 x 10-6) = 8,68 
 
Número de Prandtl 
Pr = (ηa x Cp)/λa 
Pr = (23,9 x 10-6 x 1,0 x 103)/0,0356 = 0,671 
Nu = 2 + (0,552 x 0,6711/3 x 8,681/2) = 3,42 
 
Nu = (U x d50)/λa 
U = (Nu x λa)/d50 = (3,42 x 0,0356)/250 x 10-6 = 487,0 W/m2.K 
 
Areq = QT/(U x (∆T)m) = 638500/(3600 x 487,0 x 83,1) 
Areq = 4,38 m2 
 
 
 
Área que passa pelo secador por hora: 
 
(1990 x π (250 x 10-6)2 x 6)/(π x (250 x 10-6)3 x 1200) = 39800 m2/h 
 
Tempo de residência 
 
τreq = (4,38 x 3600)/39800 
τreq = 0,396 = 0,40 s 
 
EXEMPLO 2 
 
Produto 
 
Geral: 5 ton/h de um material inorgânico 
Temperatura de alimentação: 20°C 
Tamanho da partícula: 50% em peso maior que 600 µm 
Conteúdo inicial de umidade: 15% em peso (alimentação) 
Conteúdo final de umidade: 0,1% em peso (saída) 
Calor específico dos sólidos: 0,8 kJ/kg.K 
Solubilidade em água dos sólidos: 0% em peso 
 
Processo 
 
Temperatura ambiente: 10°C 
Umidade relativa do ambiente: 50% 
Temperatura de entrada do gás: 600°C 
 
Dados água-ar 
 
Calor específico da água: 4,19 kJ/kg.K 
Calor específico do vapor d’água: 1,886 kJ/kg.K 
Calor latente de evaporação a 0°C: 2504 kJ/kg 
Relação da massa específica do vapor d’água a 105 Pa: 220/(273 + T) kg/m3 
Calor específico do ar (média): 1,05 kJ/kg.K 
Relação da massa específica do ar a 105 Pa: 355/(273 + T) kg/m3 
 
Dadosgás natural 
 
Valor calorífico: 32 MJ/m3 
Massa específica a 0°C e 105 Pa: 0,78 kg/m3 
 
Dados da planta-piloto 
 
Velocidade de saída do gás: 20 m/s 
Temperatura de saída do gás: 120°C 
Temperatura de saída do produto: 90°C (o produto está seco) 
O material não é termicamente sensível 
 
SEM APROVEITAMENTO 
 
Balanço de massa (kg/h) 
 
Entrada Saída 
------------------------------------ 
H2O ma 5 
 ------------------------------------ 
Sólidos 4995 4995 
 ------------------------------------ 
Total mt 5000 
 
mt = 4995 + ma 
ma = 0,15mt 
 
ma = 881 mt = 5876 
 
Água evaporada: 881 - 5 = 876 
 
Calor líquido (kJ/h) 
 
Q1 = 876 (2504 + 1,886 x 120 - 4,19 x 20) = 2318352 
 
Q2 = 4995 x 0,8 x (90 - 20) = 279720 
 
Q3 = 5 x 4,19 x (90 - 20) = 1467 
 
Qtot1 = 2599539 
 
Qtot2 = ((1,25 x (600 - 10))/ (600-120)) x 2599539 = 3994083 
 
Consumo de gás natural 
 
3994083/32000 = 124,8 m3/h 
 
124,8 m3/h = 97,34 kg/h 
 
Ponto de condensação do gás de exaustão (°C) 
 
Quantidade de ar seco necessário para combustão estequiométrica 
 
1 m3 de gás natural ---------- 8,50 m3 de ar seco 
124,8 m3/h de gás natural ------- x 
 
x = 1060,8 m3as/h . 1,25 kgas/m3as = 1330,69 kgas/h 
 
Quantidade de vapor d’água presente no ar 
 
0,004 kgH2O/kgas . 1330,69 kgas/h = 5,32 kgH2O/h 
 
Quantidade de vapor d’água produzida na combustão 
 
1 m3 de gás natural ---------- 1,67 m3 de vapor d’água 
124,8 m3/h de gás natural ----- x 
 
x = 208,42 m3H2O/h 
 
Combustão estequiométrica do gás natural 
---------------------------------------------------------------------------------------- 
 kg/h 
 -------------------------------------------- 
Entrada Saída 
---------------------------------------------------------------------------------------- 
Gás natural 97,34 - 
 
Ar seco 1330,69 - 
 
Vapor d’água 5,32 213,74 
 
Produtos da combustão - 1219,61 
 
Total 1433,35 1433,35 
 
Quantidade total de gases na câmara de combustão 
 
3994083/(1,05 x (600 - 10)) = 6447,27 kg/h 
 
Quantidade de ar secundário 
6447,27 - 1433,35 = 5013,92 kg/h (composição; 20,06 kg/h de vapor d’água e 
4993,86 kg/h de ar seco) 
 
Vazamento de ar para dentro do secador 
0,2 x 6447,27 = 1289,45 kg/h (composição; 5,16 kg/h de vapor d’água e 
1284,29 kg/h de ar seco) 
 
 
 
Processo Seco H2O Total 
------------------------------------------------------------------------------------------------------ 
Combustão 1219,61 213,74 1433,35 
 
Ar secundário 4993,86 20,06 5013,92 
 
Vazamento 1284,29 5,16 1289,45 
 
Evaporação 0 876 876 
 ------------ ----------- ------------ 
 7503,08 1109,64 8612,72 
 
Conteúdo de água: 1109,64/7503,08 = 0,148 kgH20/kgar seco 
 
Temperatura: 120°C 
Ponto de condensação: 58°C 
 
 
Dimensionamento da unidade de preparação do gás de secagem 
 
Qtot2 = 3994083 kJ/h 
 
Comprar uma câmara de combustão com capacidade de 5000 MJ/h ou 
1400 kW (25% de capacidade extra) 
 
Fluxo de gás da câmara de secagem: 6447,27 kg/h 
 
RA = 355/(273+10) = 1,25 kg/m3 
 
Fluxo volumétrico = 6447,27/1,25 = 5157,82 m3/h 
 
Potência do ventilador = (5157,82 x 2500)/(3600 x 1000 x 0,5) = 7,2 kW 
 
Comprar um ventilador com um motor de 10 kW. 
 
Dimensionamento do secador 
 
Fluxo de gás ascendente incluindo vazamento (excluindo evaporação) 
 
1,2 x 6447,27 = 7736,72 kg/h 
 
RA = 355/(273+120) = 0,903 kg/m3 
 
Fluxo volumétrico = 7736,72/0,903 = 8567,80 m3/h 
 
Fluxo ascendente de água evaporada 
 
876 kg/h 
 
RW = 220/(273 + 120) = 0,560 kg/m3 
 
Fluxo volumétrico = 876/0,560 = 1564,29 m3/h 
 
Fluxo total de gás ascendente 
 
8567,80 + 1564,29 = 10132,09 m3/h 
 
π/4 x D2 x 20 x 3600 = 10132,09 
D = 0,42 m 
 
Utilizar D = 0,40 m 
 
Comprimento do secador para uma planta piloto 10 m. Utilizar um com 
comprimento industrial 12 m. 
 
 
Dimensionamento da unidade de exaustão de gás 
 
Potência do ventilador = (10132,09 x 3000)/(3600 x 1000 x 0,5) = 16,9 kW 
 
 Utilizar um ventilador com um motor de 25kW. Escolher um ciclone. 
 
Pesquisa 
 
Diâmetro do secador: 0,4 m 
Comprimento do secador: 12 m 
Capacidade na câmara de combustão: 1400 kW 
 
Consumo de gás natural (fator de carga 1,5) 
 
(1,5 x 124,8) / 5 =37,4 m3/ton de produto 
 
Consumo de eletricidade 
 
1,5 ( 7,2 + 16,9 + 10,0) = 51,2 kW 
 
 
COM APROVEITAMENTO 
 
- experimento indicam que é possível o aproveitamento de 50% do gás de 
exaustão 
- para se conseguir um produto com 0,1% de água em peso, a 
temperatura do gás de exaustão deve ser elevada para 125°C 
- Temperatura de saída do produto (95°C) e ponto de condensação do 
gás de exaustão (70°C) 
 
 
Balanço de massa (kg/h) 
 
Entrada Saída 
 --------------------------------------------- 
H2O 881 5 
 
Sólidos 4995 4995 
 -------- -------- 
 5876 5000 
 
Evaporação: 881 - 5 = 876 
 
Calor líquido (kJ/h) 
 
Q1 = 876 (2504 + 1,886 x 125 - 4,19 x 20) = 2326612 
 
Q2 = 4995 x 0,8 (95 - 20) = 299700 
 
Q3 = 5 x 4,19 (95 - 20) = 1571 
 
QT = 2627883 kJ/h 
 
60% do calor é fornecido pelo gás de exaustão reciclado e reaquecido. 
40% é fornecido pelos gases com temperatura inicial de 10°C. 
 
Calor aplicado na câmara de combustão para o gás reciclado 
 
1,25 x 0,6 x 2627883 = 1970912 kJ/h 
 
Calor aplicado na câmara de combustão para o gás fresco 
 
1,25 x 0,4 x ((600-10)/(600-125)) x 2627883 = 1632054 kJ/h 
 
Calor total 
 
1970912 + 1632054 = 3602966 kJ/h 
 
Consumo de gás natural 
 
3602966/32000 = 112,6 m3/h 
 
Ao longo do tempo por tonelada de produto 
 
(1,5 x 112,6)/5 = 33,8 m