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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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