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spray dryer

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SPRAY DRYER 
 
 O “spray dryer” (secador por aspersão) é um equipamento que admite a alimentação 
somente em estado fluido (solução, suspensão ou pasta) e a converte em uma forma 
particulada seca pela aspersão do fluido em um agente de secagem aquecido (usualmente 
o ar). 
 
Há quatro etapas principais no processo de secagem por aspersão: (a) atomização da 
alimentação; (b) evaporação da umidade livre; (c) evaporação da umidade ligada; e (d) 
recuperação do produto (limpeza do agente de secagem). 
 
O secador por aspersão opera da seguinte maneira. O líquido com sólidos solubilizados é 
bombeado do tanque de alimentação para um aspersor (e.g., rotativo ou de bocal), 
usualmente localizado no distribuidor de ar (i.e., agente de secagem) na porção superior 
da câmara de secagem. O agente de secagem é aspirado da atmosfera por um ventilador, 
sendo primeiramente filtrado e subsequentemente aquecido. As gotas produzidas pelo 
aspersor são entranhadas pelo agente de secagem e a evaporação do líquido ocorre 
promovendo concomitantemente o resfriamento do ar. Ao final do percurso descendente, 
o sólido originalmente dissolvido nas gotas se encontra completamente seco e é 
encaminhado, juntamente com o ar, para um ciclone para separar o sólido do ar. Os 
sólidos secos são coletados na parte inferior do ciclone por válvulas rotatórias e o ar 
isento de partículas (ou contendo partículas muito finas) é removido na parte superior. 
 
A secagem por aspersão produz esferas relativamente uniformes apresentando a mesma 
proporção de compostos não voláteis que a alimentação líquida homogênea. Portanto, a 
mesma pode ser utilizada para preparar misturas complexas de sólidos que não podem 
ser produzidas por métodos mecânicos. Por exemplo, pós cerâmicos que são prensados 
em velas de ignição contêm ligantes e lubrificantes orgânicos solúveis e é essencial que 
cada partícula seca apresente a mesma composição. 
 
A secagem por aspersão pode ocorrer de forma cocorrente, contracorrente, ou como um 
processo de escoamento misto. A secagem cocorrente expõe as gotas à maior 
temperatura do agente de secagem e, desta forma, uma rápida evaporação ocorre. 
Portanto, esta característica pode levar a produtos que apresentam baixa densidade de 
partículas e que consistem de estruturas ocas. A secagem em contracorrente expõe as 
partículas que estão quase secas às temperaturas mais elevadas e, desta forma, produtos 
extremamente secos podem ser produzidos. 
 
ar
produto seco
produto
arar
ar
ar
ar
produto
ar
produto
ar, produto ar, produto
produto
arar
 
Figura 1. Tipos de secagem por aspersão. 
 
É impossível secar e resfriar um produto em um mesmo equipamento de secagem por 
aspersão. Portanto, o resfriamento é, em geral, efetuado em um sistema pneumático 
subsequente. 
 
Com relação ao scale-up do equipamento, não há limites, podendo apresentar vazões de 
alimentação acima de 100 toneladas por hora. Entretanto, esta capacidade não leva a 
elevados custos de capital quando comparada às de outros secadores. 
 
Há três mecanismos diferentes que podem ser usados para atomizar (aspergir) a 
alimentação: (a) o bocal de um único fluido; (b) o bocal pneumático; e (c) o atomizador 
rotatório. Em geral, o atomizador rotatório é preferido para maiores valores de vazão de 
alimentação (e.g., excedendo 5 t/h). Este tipo de atomizador produz partículas 
relativamente menores (30 – 120 µm) e as tendências ao entupimento são desprezíveis 
devido aos largos canais de escoamento. O bocal pneumático (ou de dois fluidos) é 
utilizado para pequenas operações de secagem e em ocasiões em que a alimentação é 
relativamente mais viscosa. O bocal de um único fluido é o mais utilizado e produz 
partículas maiores que as produzidas pelo rotatório (e.g., 120 – 250 µm). Entretanto, o 
tamanho da partícula depende da pressão de alimentação (entre 50 e 300 atm), e 
apresenta tendências de entupimento. Um atomizador rotatório pode ser utilizado 
somente em operações em concorrente, ao passo que os de bocal podem ser utilizados 
em quaisquer tipos de operações. 
 
Geralmente, um secador por aspersão equipado com atomização por bocal apresentam 
alturas da câmara cilíndrica de três a quatro vezes maior que o diâmetro da câmara, ao 
passo que os secadores com atomizadores rotatórios apresentam alturas de cilindro iguais 
ao diâmetro da câmara. Este diâmetro mais largo previne a aspersão de atingir a parede 
do secador. 
 
O agente de secagem para secadores por aspersão pode ser aquecido por chama direta. 
Entretanto, para aplicações nas áreas de alimentos e produtos farmacêuticos, 
aquecimento indireto é utilizado de forma a evitar a contaminação dos materiais em 
secagem com os produtos da queima de combustíveis. A maioria dos secadores por 
aspersão apresentam temperaturas de entrada menores que 350 ºC. Porém, há secadores 
por aspersão, que processam materiais inorgânicos (e.g., catalisadores), que operam com 
temperaturas de entrada próximas de 800 ºC. 
 
As vantagens de secadores por aspersão são: 
• possibilidade de lidar com líquidos resistentes, sensíveis ou não sensíveis ao calor, 
do qual se pode produzir um sólido seco; 
• produz material estritamente seco com tamanhos e formas de partículas 
controlados independentemente da capacidade do secador e da sensibilidade das 
partículas ao calor; 
• proporciona operações contínuas adaptáveis a diversos tipos de sistemas de 
controle; 
• opera em uma ampla faixa de capacidades de produção, i.e., qualquer 
requerimento individual de capacidade pode ser projetado para secadores por 
aspersão; e 
• proporciona flexibilidade de projeto, tais como secagem de sólidos dissolvidos em 
solventes orgânicos sem riscos de explosão; secagem de soluções aquosas em que 
o pó resultante exibe potencial de explosão quando suspenso em ar; secagem de 
materiais tóxicos; secagem de líquidos que requerem condições de assepsia 
durante a secagem; e secagem de líquidos para produzir produtos granulares, 
aglomerados e não aglomerados. 
 
Entretanto, as seguintes limitações são observadas: 
• altos custos de instalação; 
• baixa eficiência térmica; e 
• a deposição de produto na câmara de secagem pode levar à degradação do 
produto ou mesmo ao risco de incêndio. 
 
Exemplos de produtos secos por aspersão em escala industrial: 
• Indústria química: resinas fenol-formaldeído; catalisadores; emulsões de PVC, 
aminoácidos, etc. 
• Corantes e pigmentos: amarelo cromo, corantes alimentícios, dióxido de titânio; 
pigmentos de tintas, etc. 
• Fertilizantes: nitratos, sais de amônia, fosfatos, etc. 
• Detergentes e agentes surfactantes: enzimas detergentes, pó branqueador, 
detergente em pó, agentes amulsificantes, etc. 
• Frutas e vegetais: leite de côco, ovos, tomates, etc. 
• Carboidratos: glicose, açúcares, maltodextrina, etc. 
• Bebidas: leite em pó, café solúvel, chás, etc. 
• Produtos farmacêuticos: penicilina, sangue, enzymas, vacinas, etc. 
• Indústria bioquímica: algas, enzimas, leveduras, etc. 
 
 
Dimensionamento de um “spray dryer” 
 
Dados iniciais 
 
Produto: composto orgânico 
Modo de operação: concorrente 
Aspersão: atomizador rotatório 
Método de aquecimento: direto, combustão de gás natural 
Umidade inicial: 55 % em massa 
Umidade final: 0,5 % em massa 
Vazão de produto: 500 kg/h 
Temperatura de entrada do ar: 205 ºC 
Temperatura da alimentação: 20 ºC 
Temperatura do ar ambiente: 10 ºC 
 
Dados da literatura 
Calor específico da água: 4,19 kJ/kg.K 
Calor específico do vapor de água: 1,886 kJ/kg.K 
Calor latente de vaporização da água à 0 ºC: 2504 kJ/kg.K 
Relação paraa massa específica do vapor à 105 Pa: 220/(T + 273) kg/m3 
Calor específico do ar: 1,05 kJ/kg.K 
Relação para a massa específica do ar à 105 Pa: 355/(T + 273) kg/m3 
Calor específico do composto orgânico: 1,25 kJ/kg.K 
 
O calor de cristalização é desprezível. 
 
Dimensionar o secador por aspersão. 
 
Solução 
 
Balanço de massa (kg/h) 
 
 entrada saída 
Água 608,1 2,5 
Sólidos 497,5 497,5 
Total 1105,6 500 
 
mevap = 608,1 – 2,5 = 605,6 kg/h 
 
Balanço de energia (kJ/h) 
 
A temperatura de saída do ar foi ajustada com base em dados de literatura e de 
fabricantes para: 
 
35,112Tlog39,88T e,ar10s,ar −×= 
 
Para os dados do problema: C9235,112205log39,88T o10s,ar =−×= 
 
A temperatura do produto seco é C722092T ops =−= (??) 
 
h/kJ752.570.1)2019,492886,12504(6,605Q1 =×−×+= 
h/kJ338.32)2072(25,15,497Q2 =−×= 
h/kJ545)2072(19,45,2Q3 =−×= 
 
h/kJ635.603.1545338.32752.570.1QQQQ 3211T =++=++= 
 
h/kJ168.459.3635.603.1
)92205(
)10205(
25,1Q 2T =×
−
−
×= 
 
Consumo de energia OH2kg/kJ712.56,605
168.459.3
== 
 
Consumo total a longo prazo OH2kg/kJ283.6712.51,1 =×= 
 
Consumo de gás natural a longo prazo: produto
3 t/nm238
5,032000
168.459.3
1,1 =
×
×= 
 
Em que o valor calórico do gás natural é 32000 kJ/nm3. 
 
Dimensão do secador 
 
Utilizar uma velocidade superficial de 0,3 m/s (Tabela E.1). 
 
Tabela E.1. Velocidade superficial de gás para secadores com atomizador rotatório. 
Diâmetro da Câmara (m) Velocidade Superficial (m/s) 
4 0,15 
6,5 0,35 
9 0,55 
 
A quantidade de ar passando pelo secador é: 
 
h/kg895.16
)10205(05,1
168.459.3
mar =
−
=& 
 
A quantidade de ar retirada do secador, considerando o ar de ingresso, é: 
 
h/kg585.18895.161,1m s,ar =×=& 
 
 
A vazão em volume, à 92 ºC, é: h/m101.19
973,0
585.18m 3
ar
s,ar
==
ρ
=∀
&
& 
 
A quantidade de água evaporada, em volume, é: 
 
h/m1004
603,0
6,605m 3
água
evap
água ==
ρ
=∀
&
& 
 
A vazão de gás total é: C92àh/m105.20004.1101.19 o3t =+=∀& 
 
O diâmetro da seção cilíndrica do secador é, portanto, 
 
m87,4
600.33,0
105.204
D
4
D
vAv
2
scst =
××π
×
=⇒
π
×==∀& 
 
Considerar D = 5 m. 
 
Considerando um tempo de residência de 25 segundos, e uma seção cônica de 60º, o 
volume total do secador é: 
 
3m6,139
600.3
105.2025
=
×
=∀ 
 
O cálculo da altura da seção cilíndrica é feito com base na equação: 
 
32 m)D2886,0H(D7854,0 ×+×=∀ 
 
em que H é a altura da seção cilíndrica e D é o diâmetro da câmara cilíndrica. 
 
Portanto, para o diâmetro e volume de câmara calculados, a altura é: 
 
m7,5H =

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