Relatório 3 - secagem

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Universidade do Sul de Santa Catarina 
 Unidade Acadêmica de Ciências Tecnológicas 
 Curso de Graduação em Engenharia Química 
 
 
 
Disciplina de Laboratório de Fenômenos e Operações de Transferência de Calor 
Professora: Camila da Silva Gonçalves 
SECAGEM DE SÓLIDOS 
Júlia Goedert1, Morgane Mensch 1, Manoella Neves Pereira 1. 
1Curso de Engenharia Química. Universidade do Sul de Santa Catarina. 
 
Palavras Chave: Secagem, calor, sólidos.
Introdução 
Energia térmica é a fração da energia 
interna de um corpo que pode ser transferida devido 
a uma diferença de temperaturas. Esta fração é 
composta pelas formas de energia microscópicas, 
energia sensível e energia latente. Por exemplo, um 
corpo colocado num meio a uma temperatura 
diferente da que possui, recebe ou perde energia, 
aumentando ou diminuindo a sua energia térmica (ou 
interna, armazenada). Esta energia térmica 
transferida “para o” ou “do” corpo é designada por 
“calor” e o processo é designado por transferência de 
calor (FERREIRA et al., 2018). 
Operações de desidratação e secagem são 
processos importantes nas indústrias químicas e de 
alimentos, no armazenamento de grãos e outros 
tipos de produtos biológicos, uma vez que, durante a 
secagem desses, podem ocorrer variações nas 
características físicas, químicas e biológicas nos 
sólidos que secam. Devido a isso, torna-se 
importante o conhecimento dos efeitos da secagem 
sobre as propriedades químicas e biológicas dos 
sólidos, uma vez que essas afetam sensivelmente os 
fenômenos de transferência de calor e de massa 
(LIMA et al., 2003). 
A operação de secagem é utilizada para 
facilitar o carregamento, descarregamento, 
transporte pneumático. Utilizada também para 
reduzir os custos de transporte de matérias primas, 
aumentar a vida de prateleira do produto ou para 
simplesmente cumprir especificações no que diz a 
respeito de uma matéria-prima ou de um produto 
(LINDEMANN & SCHMIDT, 2010). 
A secagem é a remoção de uma substância 
volátil (geralmente água) de um produto sólido. E a 
quantidade de água presente no sólido é chamada 
de umidade (PARK, et al., 2007). 
A secagem de um sólido úmido, é feita 
mediante passagem de uma corrente de ar 
atmosférico aquecido pelo mesmo a uma 
temperatura e umidade fixas (FOUST, 1982). 
Dessa forma, de acordo com PARK, et al. 
(2007), observa-se que dois fenômenos ocorrem 
simultaneamente quando um sólido úmido é 
submetido à secagem: 
 Transferência de calor do ambiente para 
evaporar a umidade superficial. Esta 
transferência depende de condições externas 
de temperatura, umidade do ar, fluxo e direção 
de ar, área de exposição do sólido (forma física) 
e pressão. 
 Transferência de massa (umidade) do interior 
para a superfície do material e sua subsequente 
evaporação devido ao primeiro processo. O 
movimento interno da umidade no material 
sólido é função da natureza física do sólido, sua 
temperatura e conteúdo de umidade. 
 
De acordo com FOUST (1982), os sólidos, 
em geral, possuem uma curva de secagem bem 
definida, decrescente ao longo do período da 
secagem, como o demonstrado na Figura 1. E outra 
curva, que representa a taxa de secagem do produto 
em relação ao tempo, demonstrado pela Figura 2. 
 
 
 
http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=205&Itemid=370#eq2
http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=205&Itemid=370#eq2
http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=205&Itemid=370#fig8
 
 
Figura 1 – Curva de secagem umidade vs tempo 
 
Fonte: FOUST, 1982. 
 
 
Figura 2 – Curva de taxa de secagem vs umidade 
 
Fonte: FOUST, 1982. 
 
 
Na Figura 2, o segmento AB corresponde ao 
período em que o sólido se adapta às condições de 
secagem, e sua velocidade atinge um valor 
constante, essa igualdade se mantém durante o 
segmento BC. O ponto C corresponde ao fim do 
período de secagem constante, e a umidade, nesse 
ponto, é conhecida como umidade crítica. No 
segmento CD, cada vez menos líquido está na 
superfície do sólido para evaporar, e se torna cada 
vez mais seco. Do ponto D em diante, tem-se o 
segundo período de velocidade decrescente, em que 
a umidade diminui até alcançar a umidade de 
equilíbrio para as condições de temperatura e 
umidade relativa do ar. Quando a umidade de 
equilíbrio (teor mínimo de umidade) é atingida, 
cessa-se o processo de secagem (CELESTINO, 
2010). 
 A umidade de equilíbrio é atingida quando o 
sólido é deixado por tempo suficientemente longo em 
determinada condição de temperatura e umidade 
relativa do ar (CELESTINO, 2010). 
 Para o cálculo da umidade em base seca (X), 
utiliza-se Equação 1. 
 
𝑋 =
𝑚á𝑔𝑢𝑎
𝑚𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
 (Equação 1) 
 
Onde: 
m água – massa de água (g) 
m sólido seco – massa do sólido seco (g) 
 
 Para o cálculo da taxa de secagem, utiliza-se 
a Equação 2. 
 
 
𝑁𝑐 =
Á𝑔𝑢𝑎_𝑒𝑣𝑎𝑝
∆𝑡 .𝐴
 (Equação 2) 
 
 
Onde: 
Nc – taxa de secagem (g/min.m²) 
Água_evap – Água evaporada (g) 
∆t – intervalo de tempo (min) 
A – área de transferência (m²) 
 
 O coeficiente convectivo de transferência de 
massa experimental pode ser calculado através da 
Equação 3 e o de calor a partir da Equação 4. 
 
 
𝑁𝑐 = 𝐾𝑦 . (𝑦𝑠 − 𝑦) (Equação 3) 
 
Onde: 
Nc – taxa de secagem (g/min.m²) 
Ky – coeficiente convectivo de transferência de 
massa (mol/m².s) 
ys – umidade de saturação do ar 
y – umidade do ar nas condições do experimento 
 
 
𝐶𝑠 =
ℎ
𝑀𝐵 . 𝐾𝑦
 (Equação 4) 
 
 
Onde: 
Cs – calor específico (J/g.K) 
h – coeficiente de transferência de calor (W/m².K) 
MB = peso molecular do ar seco (g/gmol) 
Ky – coeficiente convectivo de transferência de 
massa (mol/m².s) 
 
 Para a determinação umidade de saturação 
do ar utiliza-se a carta psicrométrica. Para o valor de 
 
taxa de secagem utiliza-se a média entre os pontos 
do gráfico A, B, C e D. A umidade do ar (y) é 
representada pela Equação 5. 
 
 
𝑦 = 0,622 . (
𝛼
𝑃𝑎𝑡𝑚− 𝛼
) (Equação 5) 
 
 
Sendo que: 
𝛼 = exp {60,43 − [
6834,27
(𝑇𝑏𝑢 + 273,15)
]
− 5,17. 𝐿𝑛(𝑇𝑏𝑢 + 273,15)}
− 0,2. (𝑇𝑏𝑠 − 𝑇𝑏𝑢). (𝑇𝑏𝑠 + 273,15) 
 
Onde: 
Patm – pressão atmosférica local (Pa) 
Tbs – temperatura do bulbo seco do ar (ºC) 
Tbu – temperatura do bulbo úmido do ar (ºC) 
 
 Para a determinação dos coeficientes 
convectivos de transferência de massa e calor 
teóricos, utiliza-se a Equação 6. E para a 
determinação do tempo de secagem, utiliza-se a 
Equação 7. 
 
 
𝑀𝑠𝑠.(𝑋𝑐−𝑋)
𝐴.𝜃
= 
ℎ.(𝑇−𝑇𝑤)
λ
= 𝐾𝑦. 𝑀𝐵 . (𝑊𝑊 − 𝑊) (Equação 6) 
 
 
 
𝜃 =
𝑀𝑠𝑠.(𝑋−𝑋𝑐)
𝐴.𝑁𝑐
 (Equação 7) 
 
 
Onde: 
𝜃 – tempo de secagem (min) 
Mss – massa do sólido seco (g) 
X – umidade inicial 
Xc – umidade crítica 
A – área de transferência (m²) 
h – coeficiente de transferência de calor (W/m².K) 
T- temperatura do gás de secagem (K) 
Tw – temperatura do bulbo úmido (K) 
λ – calor de vaporização (J/g) 
Ky – coeficiente de transferência de massa 
(mol/m².s) 
MB – massa molecular do ar (g/gmol) 
Ww – umidade de saturação do ar 
W – umidade do ar nas condições do experimento 
Tem-se como objetivo a determinação das 
curvas típicas de secagem e dos coeficientes 
convectivos de transferência de calor e massa 
experimental e teórico. 
 
Metodologia 
 
O experimento foi realizado no Laboratório 
de termodinâmica da Universidade do sul de Santa 
Catarina (UNISUL). 
 Pararealização do mesmo, utilizou-se um 
secador composto, basicamente, por: ventilador, 
psicrômetro, medidor de vazão (placa de orifício) 
ligado a um manômetro diferencial contendo água 
destilada colorida como fluido manométrico, 
aquecedores (resistências elétricas), câmara (túnel) 
de secagem, suporte para pendurar o corpo de prova 
ou bandeja, termopares ligados a um Indicador de 
temperatura e balança semi-analítica. O material a 
ser submetido ao processo de secagem foi areia. 
 Ao ligar a chave geral e o soprador, regulou-
se a vazão do ar se secagem no túnel de vento, cujo 
diâmetro é de 200mm e onde foi colocado o corpo de 
prova, em seguida, regulou-se a temperatura do ar 
de secagem para 65ºC, ligou-se o aquecimento e 
quando a temperatura se estabilizou, inseriu-se a 
bandeja com a amostra. Assim, anotou-se a massa 
inicial. Realizou-se a leitura de massa com intervalo 
de 10 em 10 minutos, afim de anotar a variação de 
massa em função do tempo. 
 Após o término da leitura, deixou-se a 
amostra em estufa pelo período de 24 horas, afim de 
obter a massa de matéria seca. 
Resultados e Discussões 
 
A partir do módulo experimental, obtiveram-
se as massas da amostra no intervalo de tempo de 
10 minutos e as temperatura de bulbo seco e úmido. 
Os dados estão apresentados na Tabela 1. 
 
 
 
 
 
Tabela 1. Dados obtidos no módulo experimental 
Tempo 
(min) 
Massa 
amostra (g) 
Temp. 
bulbo S. 
(ºC) 
Temp. 
bulbo u. 
(ºC) 
0 425,44 24,90 22,60 
10 419,65 24,90 22,60 
20 404,58 25,00 22,70 
30 392,20 25,20 22,80 
40 378,70 25,20 22,90 
50 364,20 25,30 22,90 
60 353,99 25,40 23,00 
70 352,65 25,40 23,10 
80 352,19 25,50 23,10 
90 352,18 Média Média 
∞ 351,98 25,20 22,86 
Fonte: Autores, 2018. 
 
 
De acordo com os dados experimentais, 
calculou-se a massa de água evaporada, a umidade 
em base seca (Equação 1) e a taxa de secagem 
(Equação 2). Os resultados encontram-se na Tabela 
2. 
 
 
Tabela 2. Umidade e taxa de secagem 
Tempo 
(min) 
Agua 
evap. (g) 
X 
(ma/mss) 
Nc 
(g/(min*m²) 
0 0,00 0,21 0,00 
10 5,79 0,19 18,09 
20 15,07 0,15 47,09 
30 12,38 0,11 38,69 
40 13,50 0,08 42,19 
50 14,50 0,03 45,31 
60 10,21 0,01 31,91 
70 1,34 0,002 4,19 
80 0,46 0,001 1,44 
90 0,01 0,001 0,03 
∞ 0,00 0,00 0,00 
Fonte: Autores, 2018. 
 
 
Assim, com a variação de massa da umidade 
em função do tempo determinou-se a curva de 
secagem, demonstrada na Figura 3. E com a 
variação da taxa de secagem em função do tempo, 
obteve-se outra curva de secagem, apresentada na 
Figura 4. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 – Curva de secagem Umidade vs Tempo 
 
Fonte: Autores, 2018. 
 
 
Figura 4 – Curva de secagem Umidade vs Tempo 
 
Fonte: Autores, 2018. 
 
 A partir da análise do gráficos, nota-se que 
no trecho AB, a temperatura do sólido é menor que a 
temperatura ambiente. Então, o calor transferido do 
ar para o sólido é maior do que o calor retirado do 
sólido para a evaporação da água. 
 No trecho BC, tem-se um período de taxa 
constante, ou seja, a temperatura do sólido é igual a 
temperatura do ambiente, logo, a velocidade de 
secagem deveria se apresentar sem inalterações 
com a diminuição do teor de umidade. Porém, de 
acordo com FOUST (1982), a temperatura do sólido 
e a velocidade de secagem podem aumentar ou 
diminuir para chegarem às condições de regime 
permanente. 
 No trecho CD, tem-se um período de taxa 
decrescente. Este período se iniciou quando a 
umidade do sólido atingiu o seu valor crítico. No 
trecho DE continuou o período decrescente e a taxa 
de secagem caiu rapidamente. 
 Assim, de acordo com os dados, determinou-
se os coeficiente convectivos de transferência de 
calor e de massa experimentais, seguindo as 
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 20 40 60 80 100
U
m
id
ad
e
Tempo (min)
A
B
C
D E
0
10
20
30
40
50
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
ta
xa
 d
e 
se
ca
ge
m
umidade
A
C
D
B
E
 
Equações 3 e 4, respectivamente. E os coeficiente 
convectivos de transferência de calor e de massa 
teóricos, forem calculados segundo a Equação 6. A 
Tabela 3, apresenta os resultados encontrados, e o 
erro experimental obtido. 
 
Tabela 3 – Coeficiente convectivo de transferência de calor e 
massa experimental e teórico 
 Exp. Teórico Erro (%) 
h 
(W/m²K) 
415,13 1908,71 78,25 
Ky 
(mol/s.m²) 
14,27 0,71 
 
95,02 
Fonte: Autores, 2018. 
 
De acordo com os dados obtidos na Tabela 
3, pôde-se observar que a diferença entra o h teórico 
e o experimental foi de 78,25%. E a diferença entre o 
Ky teórico e experimental foi de 95,02%. 
Como a equação de coeficiente convectivo 
de transferência de calor e massa teórico é 
denominada empírica, ou seja, desenvolvida 
experimentalmente, o h experimental é dito mais 
confiável que o teórico. Caso o h experimental não 
consiga ser definido, é recorrido ao h teórico para os 
cálculos e análise de resultados. 
 
Conclusão 
 
Após a determinação das curvas típicas de 
secagem e dos coeficientes convectivos de 
transferência de calor e massa experimental e 
teórico, percebeu-se que o h teórico apresentou valor 
maior do que o obtido experimentalmente, e que o Ky 
teórico apresentou valor menor do que o obtido 
experimentalmente. Isso pode estar correlacionado 
com a falta de calibração do equipamento de 
secagem na utilização do mesmo, a fatores 
climáticos, como tempo úmido no dia da realização 
da prática, a imperícia dos experimentadores, entre 
outros. 
Deve-se ressaltar que o erro obtido pode ser 
considerado aceitável, visto que a equação do h 
experimental é calculado de maneira empírica, sendo 
mais fundamentado do que o h teórico. 
 
 
 
Referências Bibliográficas 
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FERREIRA, A.; BERNARDO, F. P.; GRANJO, J.; 
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Universidade de Coimbra: Portugal, 2018. Disponível 
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<http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?optio
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Acesso em: 10/10/2018. 
 
FOUST, A.S. Princípios das Operações Unitárias. 
2ª Ed, Rio de Janeiro, Ed. Guanabara Dois, 1982. 
 
LIMA, L. A.; SILVA, J. B; LIMA, A. G. B. 
Transferência De Calor E Massa Durante A 
Secagem De Sólidos Com Forma Arbitrária: Uma 
Abordagem Concentrada. Jaboticabal, PB: UFPB, 
2003. 
 
LINDEMANN, C; SCHMIDT, V.W. Relatório de 
Laboratório de Operações Unitárias: Secagem 
em leite de jorro. Rio Grande, Curso de Engenharia 
Química da Universidade Federal do Rio Grande, 
2010. 
 
PARK, K.J.; ANTONIO, G.C.; OLIVEIRA, R.A.; 
PARK, K.J.B. Apostila de conceitos de processo e 
equipamentos de secagem, Campinas, CT&EA – 
Centro de Tecnologia e Engenharia Agroindustrial, 
2007.