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Secagem de sólidosI – INTRODUÇÃO

A secagem de sólidos é uma das mais antigas e usuais operações unitárias

encontradas nos mais diversos processos usados em indústrias agrícolas,

cerâmicas, químicas, alimentícias, farmacêuticas, de papel e celulose, mineral

e de polímeros. É também uma das operações mais complexas e menos entendida,

devido à dificuldade e deficiência da descrição matemática dos fenômenos

envolvidos de transferência simultânea de calor, massa e quantidade de

movimento nos sólido, baseado em extensiva observação experimental e

experiência operacional (MENON; MUJUMDAR, 1987).

A operação é utilizada para facilitar o carregamento, descarregamento,

transporte pneumático, ou seja, o manuseio de compostos pulverulentos.

Utilizada também para reduzir os custos de transporte de matérias primas,

aumentar o valor de uma commodity, para 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 qualidade do produto seco, a quantidade de energia gasta e o tempoutilizado neste processo são parâmetros primordiais para a rentabilidade do bem

submetido a esta operação. Por outro lado, a diversidade de tipos de secadores

oferecidos no mercado coloca o gerente industrial freqüentemente questionando

se o seu secador ou aquele que pretende adquirir seria o mais adequado para o

seu processo (PACHECO, 2010).

1.1 - Conceitos e mecanismos fundamentais da secagem de sólidos  

A secagem é a remoção de uma substância volátil (comumente, mas não

exclusivamente, água) de um produto sólido. E a quantidade de água presente no

sólido é chamada de umidade. Esta definição de secagem exclui a concentração de

uma solução e a remoção mecânica de água por filtragem ou centrifugação. Exclui

também métodos térmicos relatados à destilação (PARK, et. al, 2007)

A secagem de um sólido úmido, é feita mediante passagem de uma corrente de

ar atmosférico aquecido pelo sólido úmido a uma temperatura e umidade fixas,

por uma combinação de transferências de calor (para evaporar o líquido) e massa

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(para remover a umidade de dentro do sólido), reduz a quantidade de água

presente no corpo-sólido (FOUST, 2006).

Dessa forma, observa-se que dois fenômenos ocorrem simultaneamente quando

um sólido úmido é submetido à secagem (PARK, et. al, 2007):

Transferência de energia (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.

Esse processo manifesta-se sob um comportamento típico, que pode ser

observado na curva de secagem. Cada sólido possui uma curva característica

(PARK, et. al, 2007).

Os sólidos, em geral, possuem uma curva de secagem bem definida,

decrescente ao longo do período da secagem, como o ilustrado na figura 1.

Figura 1- Curva típica de secagem em condições constantes de secagem; teor

de umidade em função do tempo.

Na interpretação do gráfico, tem-se:

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Trecho AB: A T do sólido é menor que a T ambiente. O calor transferido do

ar para o sólido é maior do que o calor retirado do sólido para evaporar água;

Trecho BC: Período de taxa constante. A T do sólido é igual a T ambiente.

É caracterizado pela velocidade de secagem ser inalterada com a diminuição do

teor de umidade. O calor é transferido para a superfície de secagem do sólido

basicamente por convecção.

Em linhas gerais, a temperatura do sólido e a velocidade de secagem podem

aumentar ou diminuir para chegarem às condições de regime permanente. Nesse

regime, as temperaturas no interior do sólido tendem a ser iguais à temperatura

de bulbo úmido do gás, permanecendo estáveis e a taxa de secagem também

permanece constante (FOUST, et. al, 2006).

Trecho CDE: período de taxa decrescente. Inicia quando a umidade do

sólido atinge um valor determinado chamado umidade crítica. Este trecho pode

ser dividido em duas zonas: zona de superfície de secagem não-saturada e zona

em que o fluxo interno de água controla o processo. Além desse ponto, a

temperatura da superfície eleva-se e a taxa de secagem cai rapidamente (FOUST,

et. al, 2006).

XE (Ponto E): A taxa de secagem aproxima-se de zero, num certo teor de

umidade de equilíbrio, que é o menor teor de umidade atingível no processo de

secagem.

Para as trechos CD e DE tem-se seguem observações:

Zona de superfície de secagem não-saturada (trecho CD): Segue-se

imediatamente a umidade crítica. Neste estágio, a superfície do sólido

apresenta áreas secas que se ampliam na proporção em que a secagem prossegue.

Conseqüentemente a taxa de secagem diminui uma vez que a mesma é relativa a

toda a área do sólido em contato com o ar. A evaporação ocorre na superfície do

sólido e a resistência a difusão interna do líquido é pequena comparada com a

resistência para remover o vapor da superfície. A temperatura do sólido

aumenta, pois recebe do ar a mesma quantidade de calor que corresponderia ao

período de taxa constante, sem, no entanto, ocorrer igual evaporação. Em

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outras palavras, parte da energia que era utilizada para a evaporação na fase

anterior, acaba sendo utilizada para elevar a temperatura do sólido (FOUST, et.

al, 2006).

Zona em que o fluxo interno de água controla a operação (Trecho DE):

Caracteriza-se pelo fato de que o fluxo interno de água controla a taxa de

secagem. Os fatores que influenciam a taxa de secagem são os mesmo que afetam a

difusão da água através de sólidos. Observa-se que a umidade do ar não tem

efeito na taxa de secagem, mostrando que esta depende da resistência a difusão

da água. A medida que a quantidade de umidade diminui por causa da secagem, a

velocidade da difusão interna da umidade decresce. A evaporação ocorre dentro

da estrutura do sólido (FOUST, et. al, 2006).

1.2 – Curvas de secagem

A evolução das transferências simultâneas de calor e de massa no decorrer

da secagem faz com esta operação seja delineada em sub-curvas, denominadas de

curva de evolução do teor de água do produto (X), curva de sua temperatura (T)

e curva da velocidade de secagem (dX/dt), também chamada de taxa de secagem, ao

longo do tempo, para um experimento utilizando ar de propriedades constantes

(PARK, et. al, 2007).

Figura 2- Comportamento das curvas de secagem/tempo durante um experimento

a propriedades constantes.

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A curva (a) representa a diminuição do teor de água do produto durante a

secagem (conteúdo de umidade do produto, X = X BS, em relação à evolução do

tempo de secagem t), isto é, é a curva obtida pesando o produto durante a

operação numa determinada condição de secagem (PARK, et. al, 2007).

A curva (b) representa a velocidade (taxa) de secagem do produto

(variação do conteúdo de umidade do produto por tempo, dX/dt em relação à

evolução do tempo t), isto é, é a curva obtida diferenciando a curva (a) (PARK,

et. al, 2007).

A curva de velocidade de secagem resulta da derivação da curva de secagem

em relação à quantidade de umidade, e pode ser dividida em período de taxa

constante de secagem e período de taxa decrescente de secagem,

Verificam-se os dois períodos de secagem:

Período de taxa constante de secagem: é o representado pelo segmento

“1”. No período de taxa constante, a superfície do material é mantida num nível

de umidade tal que a secagem ocorre como se fosse água pura evaporando. Se o

sólido for poroso, a maioria da água evaporada no período de taxa constante é

proveniente do interior do sólido. Este período só continua desde que a água

seja provida à superfície tão rápido quanto é evaporada (PARK et. al, 2007).

Período de Taxa Decrescente de Secagem: Este período compreende o

segmento “2”. Quando a quantidade de água na superfície do produto começa a

diminuir há o abaixamento progressivo da pressão parcial de vapor da água na

superfície e, consequentemente, a velocidade de secagem também diminui, até

que, ao final desse período, o produto esta em equilíbrio com o ar (igualdade

de pressões parciais de vapor) e a velocidade de secagem torna-se nula (PARK

et. al, 2007) .

A curva (c) representa a variação da temperatura do produto durante a

secagem (variação da temperatura do produto, T em relação à evolução do tempo

t), isto é, é a curva obtida medindo a temperatura do produto durante a secagem

(PARK, et. al, 2007).

1.3 - Equipamentos Industriais

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A investigação da secagem e o cálculo das dimensões do equipamento de

secagem devem levar em conta uma multidão de problemas nas áreas de mecânica

dos fluidos, da química das superfícies e da estrutura dos sólidos, além dos

problemas de velocidade de transferência de energia (FOUST, et. al, 2006).

Em muitos casos, o projeto perfeitamente cotado do secador é impossível,

pois estes fenômenos físico-químicos são muito complicados e imperfeitamente

incompreendidos (FOUST, et. al, 2006).

Os primeiros secadores industriais utilizados foram os de bandejas, os de

túnel e os de rolos de secagem. O ar quente fluía sobre uma extensa área do

produto e era usado para remover a água superficial, tornando esses tipos de

secadores muito úteis para a desidratação de grãos. Ainda são empregados tanto

em processos contínuos quanto em bateladas (DIAZ, 2009)

A segunda geração de secadores foi composta pelos atomizadores (spray-

dryers), desenvolvidos para a secagem de líquidos. É um método de secagem

conhecido como secagem instantânea, pois utiliza tempos curtos de processo

quando comparado aos outros tipos de secadores. Atualmente é aplicado em larga

escala em produtos alimentícios, farmacêuticos e biológicos (DIAZ, 2009).

A terceira geração é composta pela liofilização, desenvolvida para

superar danos estruturais e perdas de compostos voláteis, (aroma e sabor). E

finalmente, secadores empregando alto-vácuo, ultra-temperatura, extrusão, leito

fluidizado, microondas ou radiofreqüência pertencem à última geração em

tecnologia de equipamentos de secagem (DIAZ, 2009).

Portanto, a escolha de um método de secagem deve ser baseada inteiramente

no processo, na matéria-prima, produtos intermediários, especificações e

características do produto final claramente definidas (DIAZ, 2009).

II- OBJETIVO

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O presente estudo tem como objetivo verificar o comportamento de diferentes

materiais frente à operação unitária de secagem e através dela, a construção da

curva de velocidade de secagem do processo.

III – MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 – Materiais

Reagentes: Água destilada, amostra de chá e amostra de sal grosso.

Vidraria: Vidro de relógio tamanho grande (2); Proveta de 10 mL (1).

Aparelhagem: Balança analítica de quatro casas decimais e estufa

3.2 – Procedimento experimental

Para cada sólido, o procedimento realizado foi:

a) Inicialmente, foi pesado o vidro de relógio e mediu-se o seu diâmetro,

a fim de calcular a área de secagem.

b) Pesou-se uma alíquota definida para o sólido seco.

c) Adicionou-se água sobre o sólido.

d) O material foi colocado em estufa com temperatura de 190-200°C.

e) Pesou-se a amostra de 6 em 6 minutos, cinco vezes, totalizando 30

minutos.As massas dos sólidos e da água utilizadas estão dispostas na tabela abaixo:

Amostra de Sal Grosso Amostra CháMassa do

sólido (g)

30,0 3,0

Massa de água

(g)

10,0 10,0

IV - RESULTADOS E DISCUSSÕES

Para melhor interpretação dos dados obtidos experimentalmente, algumas

relações matemáticas foram seguidas, tais como:

a) Massa do sólido úmido determinada para cada tempo

Msólido úmido = (mplaca + msólido úmido) – mplaca

b) Umidade do material

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X = msólido úmido - msólido seco

msólido seco

c) Taxa de secagem

R = -ws/A (dx/dt)

Onde:Ws = massa seca do sólidoA = área de secagemdx/dt = variação da umidade no intervalo de tempo dt

4.1 – Amostra de chá

Massa do vidro de relógio: 47,86 gramas

Diâmetro do vidro de relógio: 12,3 cm, r = 6,15 cm

Área de vidro de relógio (A circunferência = πr2): 118,76 cm

Massa de sólido seco: 3,07 gramas e massa sólido úmido (antes de ser

colocado na estufa): 13,07 gramas

X sólido úmido (antes de ser colocado na estufa): 3,26

Temperatura: 190°C (nos dois primeiros ensaios) e 200°C (nos três ensaios

posteriores)

Desta forma, foi possível a construção da tabela 2, que compõe os

resultados obtidos em cada ensaio e a relação matemática expressa entre eles,

além de 3 gráficos que caracterizam as curvas da secagem do material e

velocidade da operação.

Tabela 2 – Resultados obtidos com a secagem da amostra de chá.

SECAGEM EM AMOSTRA DE CHÁ

Tempo(min)

Massa obtida emmufla

Massa Sól.Úmido

UmidadeLivre

dt(min) dX tmédio

R(g/cm2min

)

6 57,72 9,862,21172638

4 6

-1,0482

7 60,0045163

92

12 54,79 6,93 1,25732899 6-

0,9544 60,0041119

34

18 52,56 4,70,53094462

5 6

-0,7263

8 60,0031295

6124 51,45 3,59 0,16938110

76 -

0,36156 0,0015577

64

11

6

30 51,17 3,310,07817589

6 6

-0,0912

1 60,0003929

49

a) Curva de secagem da amostra

b) Gráfico de R x tmédio

c) Curva de R x X livre: Velocidade da operação

12

4.2 – Amostra de sal grosso

Massa do vidro de relógio: 49,47 gramas

Diâmetro do vidro de relógio: 12,3 cm, r = 6,15 cm

Área de vidro de relógio (A circunferência = πr2): 118,76 cm

Massa de sólido seco: 30,06

Massa sólido úmido (antes de ser colocado na estufa): 40,06 gramas

X sólido úmido (antes de ser colocado na estufa): 0,33

Temperatura: 190°C (nos dois primeiros ensaios) e 200°C (nos três ensaios

posteriores)

Do mesmo modo, foi construída a tabela 3, com os resultados obtidos em

cada ensaio para a amostra de sal grosso.

Tabela 3 – Resultados obtidos com a secagem da amostra de sal grosso.

SECAGEM EM AMOSTRA DE SAL GROSSO

Tempo(min)

Massa obtida emmufla

Massa Sól.Úmido

UmidadeLivre

dt(min) dX tmédio

R(g/cm2min

)

6 88,11 38,640,28542914

2 6

-0,0472

4 60,0019928

15

12 87,1 37,630,25182967

4 6-

0,0336 60,0014174

24

18 85,33 35,860,19294743

8 6

-0,0588

8 60,0024840

01

24 84,73 35,260,17298735

9 6

-0,0199

6 60,0008420

34

30 82,03 32,560,08316699

9 6

-0,0898

2 60,0037891

55

a) Curva de secagem da amostra

13

b) Gráfico de R x tmédio

c) Curva de R x X livre: Velocidade da operação

Com os gráficos (a) foram observados perdas de umidade das amostras

durante o tempo em que a operação se processava, chegando a limites próximos de

zero, aos 30 minutos de processo. Para ambos os materiais, há uma curva

característica de teor de umidade que decresce com o passar do tempo.

Com os gráficos (b) e (c) foram demonstradas as taxas de secagem em

função do tempo médio e em função da umidade em que a operação se processava,

em geral há uma curva característica que por um determinado trecho se mantém

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constante e depois decresce pois a água na superfície também foi reduzida, até

que haja um equilíbrio entre as pressões de vapor do secante e do secador.

Para a amostra de sal, é possível notar um pico nos valores de taxa de

umidade, isso se deve ao material ter propriedades higroscópicas, ou seja,

absorver água. Assim, a água que fazia parte da massa do sólido, estava sendo

liberada até certo ponto que, quando chega em uma zona de secagem não-saturada,

não decresce a taxa de umidade, pois o sólido apresenta ampliada área ainda a

ser envolvida pela secagem, tirando-lhe a umidade que ainda resta.

Não foi notada graficamente os trechos de velocidade constante para os

materiais. Uma sugestão para otimizar esse processo seria talvez reduzir o

intervalo de tempo de secagem e aumentar o número de ensaios feitos, assim, a

curva característica de cada sólido se apresentaria com mais precisa, isenta de

erros significativos.

V – CONCLUSÃO

Conclui-se que a operação unitária de secagem é um processo

relativamente simples, porém complexo em suas particularidades, que

englobam um resultado de excelência quando se deseja preparar um material,

segundo sua finalidade.

Ou seja, todo o processo envolve um estudo das propriedades do

material secante e do tipo de secador a ser infundido no processo, seja ele

industrial ou para fins acadêmicos. E é por este motivo que a Indústria

Química em seus mais diversos ramos, vem buscando otimizar todas as

deficiências encontradas devido aos fenômenos de transferência simultânea

de calor e massa que caracterizam tal operação.

Todas as resoluções gráficas obtidas a partir de ensaios experimentais

são de grande importância ao estudo das propriedades de cada material e do

seu comportamento frente a operações físicas, demonstrado por este presente

estudo as características das amostras de chá e sal grosso, para curva

15

típica de secagem e sua variação de umidade em função do tempo e umidade

livre.

VI – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASDIAZ, P.S. Secagem, Pelotas, Centro de Desenvolvimento Tecnológico da

Universidade Federal de Pelotas – Disciplina de Operações Unitárias, 2009.

FOUST, A.S., et al. Princípios das Operações Unitárias. 2ª Ed, Rio de Janeiro, Ed.

Guanabara Dois, 1982.

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.

MENON, A. S., MUJUMDAR, A. S. Drying of solids: principles, classification, and selection

of dryers: Handbook of Industrial Drying. New York: Marcel DekkerInc., 1987.

PACHECO, C.R.F. Apostila de conceitos básicos de secagem, São Paulo, Departamento

de Engenharia Química da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 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.