UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE

ALIMENTOS

SECADORES DE ALIMENTOS

Lenilton Santos Soares

Trabalho apresentado

como pré-requisito à disciplina

Desidratação e secagem de

alimentos, ministrada pelo (a) Prof.

Antonio Martins de Oliveira Júnior,

da Universidade Federal de

Sergipe.

São Cristóvão – Se

01 de Setembro de 2009

2

SUMÁRIO

1. Introdução 3 2. Revisão de Literatura 4 2.1 Atividade de Água 4 2.2 Lei de Conservação da Massa 5 2.2.1 Balanço de Massa para o Ar Seco 5 2.2.2 Balanço de Massa de Água 5 2.3 Lei da Conservação da Energia 6 2.3.1 Equação do Balanço de Energia do Ar Úmido 6 2.4 Parâmetros Psicrométricos 6 2.4.1 Umidade Específica 7 2.4.2 Temperatura de Bulbo Seco 7 2.4.3 Psicrômetro e Temperatura de Bulbo Úmido 7 2.4.4 Ponto de Orvalho 8 2.4.5 Umidade Relativa 8 2.5 Aspectos Básicos de Secagem 9 2.5.1 Mecanismos de Migração de Umidade 10 2.5.2 Velocidade de Secagem 11 2.5.2.1 Secagem com Taxa Constante 11 2.5.2.2 Período de Secagem com Taxa Decrescente 12 2.5.2.3 Migração de Água por Difusão 12 2.6 Curvas de Secagem 13 3. Tipos de Secadores 16 3.1 Secadores de Ar Quente Tipo Tambor Rotativo 18 3.2 Secadores Spray-Dryer 19 3.2.1 Pulverização 20 3.2.2 Contato com o Material Pulverizado 21 4. Referências Bibliográficas 23

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1 – I�TRODUÇÃO

A secagem industrial é a operação, pela qual é retirada a umidade contida nos

diversos materiais.

Em muitos casos no processo de secagem, dependendo da temperatura do

processo, são arrastados junto com a umidade, vapores diversos.

A secagem é uma das operações industriais mais usadas na prática, tanto para

acabamento final ou equilíbrio da umidade própria dos diversos materiais processados

com o ar ambiente, como é o caso das madeiras e seus derivados, das borrachas, dos

couros, dos plásticos, da celulose e seus derivados, etc., como para sua melhor

conservação como é o caso dos cereais, dos alimentos e dos materiais perecíveis de

maneira geral.

Alimentos de origem vegetal como cereais, feijão e ervilhas, quando são

colhidos suficientemente secos e adequadamente armazenados permanecem em

condições de consumo e/ou industrialização por longos períodos de tempo. Todavia, a

maioria dos alimentos contém suficiente umidade para permitir a ação de

microrganismos que nele se encontram, de modo que, para preservá-los, faz se

necessária a remoção da maior quantidade de água possível.

A secagem ou a desidratação geralmente são conseguidas pela remoção da

umidade, mas qualquer método que reduza a quantidade de água disponível em um

alimento é uma forma de secagem. Assim, por exemplo, os peixes podem ser

excessivamente salgados de modo que a água é removida de seus tecidos e retirada pela

salmoura formada, tornando-se indisponível aos microrganismos. O açúcar também

pode ser adicionado, como no leite condensado, para reduzir a quantidade de água

disponível. A água pode ser removida dos alimentos por vários métodos, desde as

praticas milenares de secagem ao sol, até os mais sofisticados métodos utilizados na

atualidade.

Serão discutidos neste trabalho os métodos de secagem através de secadores de

grão e secadores spray-dryer.

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2 – REVISÃO DE LITERATURA

2.1 – Atividade de Água

Quando um determinado líquido possui uma interface com uma fase gasosa,

uma parte de suas moléculas se transfere por vaporização, para essa fase gasosa. Por

outro lado, quando uma quantidade de líquido é contida em um recipiente fechado, na

medida em que suas moléculas deixam a fase líquida, passando para a fase gasosa,

excederá inicialmente, na medida em que as moléculas novamente se condensam, com o

consequente aumento da pressão parcial atingirá um valor no qual a condensação das

moléculas será igual à de evaporação.

A pressão parcial de vapor, nesta situação de equilíbrio, é característica de cada

líquido a uma determinada temperatura e pressão externas. Essa pressão é denominada

pressão de vapor. Quando um soluto é adicionado a um líquido puro, a razão em que as

moléculas se desprendem da fase líquida e passam para a fase gasosa será menor, com a

consequente redução da pressão de vapor da solução.

A atividade de água (aw) de um alimento ou de uma solução se define como a

relação da água do substrato alimentício P (soluto em água, na maioria dos alimentos) e

a pressão de vapor do solvente P0 (usualmente água pura) a mesma temperatura.

��� ��� (1)

A pressão de vapor de água pura é igual a 1, a atividade de água de qualquer

solução, inclusive os alimentos é sempre menor que 1.

A maioria dos alimentos frescos, antes de serem submetidos a qualquer tipo de

tratamento, tem atividade de água superior a 0,99. Cada microrganismo tem uma

atividade de água máxima, ótima e mínima, na qual se desenvolve mais rapidamente. As

maiorias das bactérias envolvidas na deterioração dos alimentos não se desenvolvem em

atividade de água inferiores a 0,91, enquanto os fungos deterioradores são capazes de

crescer em valores de atividade de água tão baixos como 0,80. Com relação às bactérias

envolvidas e intoxicações e infecções alimentares, Staphylocccus aureus é capaz de se

desenvolver em valores de atividade de água até 0,86, enquanto o Clostridium

Botulinum não se desenvolve em valores de atividade de água menores que 0,94.

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2.2 – Lei de Conservação da Massa

Todo o processo de secagem envolve fluxos mássicos para dentro ou para fora

de equipamentos de secagem. Dessa forma, a equação de conservação de massa

estabelece um procedimento de análise de tais fluxos, para que eles possam ser

analisados e contabilizados.

A equação da conservação de massa ou balanço de massa para um volume de

controle qualquer possui a seguinte forma:

��� �

� = ∑ ��� - ∑ ��� (2)

Onde:

��� �

� - variação instantânea da massa contida no volume de controle;

∑ ��� - somatória de todas as vazões mássicas que entram no volume de

controle;

∑ ��� - somatória de todas as vazões mássicas que saem do volume de controle;

Em sistemas de secagem onde o ar é o fluido secante a equação de balanço de

massa deve tanto ser aplicada para o fluxo de ar totalmente seco, quanto para o fluxo de

água (no estado líquido ou no estado de vapor).

2.2.1 – Balanço de Massa para o Ar Seco

Considerando a vazão em regime permanente, a equação de balanço de massa

para o ar seco fica:

∑ ��� - ∑ ��� = 0 (3)

Onde:

�� � �� = vazões mássicas na entrada e saída do volume de controle,

expressas em kg de ar seco por segundo � ���� �.

2.2.2 Balanço de Massa de Água

A água, contida no ar seco em forma de vapor, originando o ar úmido, tem seu

balanço de massa na entrada e na saída definido como:

∑ ��� ��� - ∑ ��� ��� ± ∑ ��� = 0 (4)

6

Onde,

���� �� = umidade especifica, ou seja, a quantidade de vapor d’água presente

em uma unidade de massa de ar seco, na entrada e na saída.

�� = taxa de condensação ou de vaporização de água.

Pela análise dimensional:

!"#$ % !"�

!"#= !"�

$

2.3 – Lei da Conservação da Energia

A equação de balanço de energia aplicada a um volume de controle qualquer

possui a seguinte forma:

��&� �

� = ∑ ��� �ℎ� + ��)

* + +�� - ∑ �� �ℎ� + � )

* + +�� + , − .� (5)

Uma corrente de ar úmido pode receber ou ceder água. Este termo deve ser

acrescido à equação, ficando:

��&� �

� = ∑ ��� �ℎ� + ��)

* + +�� −

∑ �� �ℎ� + � )

* + +�� ± ∑ �� �ℎ� + � )

* + +�� + , − .� (6)

Onde ℎ� e ℎ� representam as entalpias específicas de entrada e saída do ar

úmido, e ℎ� representa a entalpia específica do condensado.

2.3.1 – Equação do Balanço de Energia do Ar Úmido

Considerando o sistema em regime permanente, a derivada temporal é nula, e

admitindo que a energia cinética e potencial seja desprezível, a equação 6 toma a

seguinte forma:

∑ ��� ℎ� − ∑ �� ℎ� ± ∑ �� ℎ� + , − .� = 0 (7)

2.4 – Parâmetros Psicrométricos

No estudo da secagem várias são as análises que utilizam a psicrometria.

Podemos citar a análise da taxa de evaporação da água, o cálculo da vazão de ar, a

eficiência de secagem e outros.

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2.4.1 – Umidade Específica

A umidade específica é um dos conceitos mais utilizados na análise

psicrométrica. Equações de balanço de massa do ar úmido são escritas em função da

umidade específica entre outras.

Define-se umidade específica como sendo a razão entre a massa de vapor

d’água e a massa de ar seco presente em uma mistura (MOREIRA, 1999).

/ = 0�

(8)

O ar atmosférico pode ser tratado como uma mistura de gases perfeitos cuja

pressão é dada pela mistura de gases perfeitos, cuja pressão é dada pela soma das

pressões parciais. Consideremos então o ar atmosférico como uma mistura entre o ar

seco e o vapor d’água cuja pressão é dada por:

1 = 1# + 12 (9)

Como estamos considerando gases perfeitos:

�# = 3��4�5 �2 = 30�

405 (10)

Combinados as equações 8, 9 e 10 chegamos a seguinte equação:

/ = 0,62198 303<30

(11)

2.4.2 – Temperatura de Bulbo Seco

A temperatura de bulbo seco é a temperatura de mistura medida com um

termômetro.

2.4.3 – Psicrômetro e Temperatura de Bulbo Úmido

O psicrômetro é um aparelho utilizado em larga escala para medições das

propriedades do ar úmido. Os elementos construtivos básicos para construção de

psicrômetro estão indicados na Figura 1. Em um tubo onde escoa o ar e através de dois

furos são colocados dois termômetros. Um dos termômetros mede a temperatura do ar

(termômetro de bulbo seco) e o outro esta envolvido em uma mecha de algodão fica

umedecida constantemente com água deionizada ou pura. Quando a corrente de ar que

circula pelo tubo atinge a mecha de algodão ocorre uma transferência simultânea de

calor e massa e parte da água da mecha evapora causando uma redução na temperatura

do termômetro. O sistema entra em regime permanente, pois o ar corrente fornece o

8

calor necessário à evaporação da água. A temperatura estabilizada neste termômetro é

denominada temperatura de bulbo úmido. Com as temperaturas de bulbo seco e de

bulbo úmido podemos determinar a pressão parcial do vapor d’água, o ponto de orvalho

e outros parâmetros psicrométricos.

Figura 1: Psicrômetro ideal e seus elementos básicos.

2.4.4 – Ponto de Orvalho

A temperatura de orvalho é a temperatura correspondente ao ponto de início da

condensação do vapor d’água contida no ar úmido, quando se dá um processo de

resfriamento a pressão constante (MOREIRA, 1999).

Quando o ar está saturado, ele não tem mais capacidade de absorção de água,

logo o ar possui umidade relativa de 100 % para esta temperatura. Se diminuirmos a

temperatura do ar úmido (por exemplo, em contato com uma parede fria) mantendo a

pressão constante, ocorrerá à condensação do vapor. A temperatura de orvalho pode ser

calculada por

=> = ?@A,BC>D<*EF,E . �H�30�H�30< @,*@DC (12)

Nesta equação, o valor de Pv tem que estar em milibar e T0 é calculado em °C.

2.4.5 – Umidade Relativa

É a razão entre a fração molar do vapor d’água presente na mistura xv e a

fração molar que o vapor d’água teria se a mistura estivesse saturada xvs, à mesma

temperatura. Se considerarmos a equação dos gases perfeitos, e a definição das frações

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molares do vapor d’água, que são xv=nv/n e xvs/n, onde n é o número total de moles,

tem-se que:

I = 3030

(13)

O valor vapor d’água nos diz presente em uma mistura e a pressão de vapor

d’água saturado representa a máxima quantidade de vapor d’água que pode estar

presente a certa temperatura. Então podemos definir como umidade relativa à razão

entre a quantidade de vapor d’água pela máxima quantidade que a mistura pode ter na

mesma temperatura. A pressão do vapor d’água saturado pode ser calculada pela

equação de Clapeyron:

J2� = 1000 exp �16,6536 − B>E> .?@E5P*ED � (14)

E a pressão parcial do vapor d’água é encontrada pela equação de Carrier

(Forgione e Di Marco, 2003):

J2 = J2� − Q J R= − =STU (15)

Onde (A) é a constante do psicrômetro T a temperatura de bulbo seco e Tbu a

temperatura de bulbo úmido, ambas fornecidas em ºC. Nas equações 13 e 14 as pressões

são dadas em Pascal. Combinando a equação 11 com a 12 resulta em:

/ = 0,62189 V30 3< V30

(16)

Onde P é a pressão normal ou pressão atmosférica e pode ser facilmente

medida com um barômetro. A equação 15 é mais prática de ser utilizada sendo que a

pressão de saturação é função somente da temperatura.

2.5 – Aspectos Básicos de Secagem

A secagem tem a finalidade de eliminar um líquido volátil contido num corpo

não volátil, através da evaporação. A secagem é a operação na qual a atividade da água

de um material é diminuída pela remoção da água, através de vaporização. Durante a

secagem é necessário um fornecimento de calor para evaporar a umidade do material e

também deve haver um sorvedor de umidade para a remoção do vapor d’água formado a

partir da superfície do material seco (ALONSO, 2001).

A Figura 2 mostra o esquema do processo de secagem.

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Figura 2: Diagrama do processo de secagem (ALONSO, 2001).

Este processo fornece de calor da fonte quente para um material úmido que

promoverá a evaporação e em seguida a transferência de massa arrastará o vapor

formado (ALONSO, 2001).

2.5.1 – Mecanismos de Migração de Umidade

A migração da água do interior de um meio poroso, por exemplo, um tecido,

até a superfície é analisada pelos mecanismos de transferência de massa, que indicará a

dificuldade de secagem nos materiais. Durante a secagem, para que haja a evaporação

da água da superfície do alimento, a água deve ser transportada do interior do alimento

até a superfície. A Figura 3 representa a migração de umidade.

Figura 3: Diagrama de migração de umidade no interior de um sólido

(ALONSO, 2001).

Os mecanismos mais importantes que representam a figura acima são:

� A difusão da água líquida ocorre devido à existência de uma diferença

de concentração;

� A difusão do vapor ocorre devido a diferença de pressão do vapor ,

causado pelo gradiente de temperatura. O vapor também pode difundir

por diferença de concentração.

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Devemos lembrar que todas as considerações, tais como, conteúdo de umidade

do alimento, conteúdo final de umidade do alimento (umidade de equilíbrio) e o

transporte de água do interior à superfície do alimento, servem para fundamentar o

fenômeno de secagem.

Entretanto ainda não conseguimos estabelecer uma única relação teórica que

possibilite a generalização do processo de secagem (ALONSO, 2001).

2.5.2 – Velocidade de Secagem

A secagem divide-se em dois períodos: secagem com taxa constante e secagem

com taxa decrescente.

2.5.2.1 – Secagem com Taxa Constante

Define-se taxa constante de secagem como aquela em que a evaporação da

superfície líquida associada ao sólido ocorre sem interferência deste ultimo. A taxa de

secagem é então determinada pela taxa de difusão de vapor na superfície do material.

Neste período, as equações de transferência de calor e de massa são

estabelecidas fazendo referência às teorias da camada limite. As relações mais simples e

que geralmente dão boa concordância com os resultados experimentais são:

- transferência de calor por convecção:

, = ℎWQR=X − =�U (17)

Onde A representa a área de transferência de calor e hc o coeficiente de

transferência de por convecção.

- transferência de massa:

Y = ℎ QRJ − J#U (18)

P representa a pressão da água na superfície do alimento e Pa a pressão do ar

seco, ambas fornecidas em Pascal.

Durante o período de taxa constante, se desconsiderar as perdas, o calor

fornecido é igual ao calor necessário para evaporar a água e pode ser calculado pela

transferência de massa N e obter a taxa de secagem pela equação:

Y = Z[\R5]<5 U^ (19)

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Esta última equação é geralmente mais utilizada uma vez que o coeficiente de

transferência de calor é mais fácil de determinar experimentalmente do que o

coeficiente de transferência de massa (MASSARANI E TELLES, 1992).

2.5.2.2 – Período de Secagem com Taxa Decrescente

Neste período a taxa de secagem é controlada pela taxa de migração do líquido

até a superfície do alimento onde ocorre a evaporação. A taxa entra no período

decrescente no momento em que a migração da água para a superfície do alimento

diminui indicando o final de saturação de água.

O calor transferido para a superfície cai progressivamente em função do

decréscimo na taxa de transferência de massa dentro do tecido, e conseqüentemente a

temperatura da superfície do tecido aumenta no final da secagem. A complexidade deste

período leva muitos pesquisadores a propor diferentes equações para este período da

secagem.

2.5.2.3 – Migração de Água por Difusão

Este modelo baseia-se na Lei de Fick da difusão para regimes transitórios onde

a concentração de umidade no alimento é uma função do tempo, que expressa o fluxo de

massa por unidade de área, dependente da concentração de água no alimento. A lei de

Fick utiliza o balanço de massa da água no interior do alimento. A difusão em regime

transitório é dada por:

_`�_ = a �_)`�

_b) + _)`�_c) + _)`�

_d) � (20)

Onde e3 representa o conteúdo de umidade do alimento na base seca em [kgw

/ Kgms].

Existe um grande número de trabalhos com variadas condições de contorno

para solução da equação da difusão. Entretanto estas soluções aplicam-se a formas

geométricas definidas como placas cilindros esferas e outras. Com algumas hipóteses a

serem observadas pode-se utilizar a equação 2.20 abaixo (CRANK, 1975). A equação

21 considera as seguintes hipóteses:

O tecido em consideração é homogêneo;

� As dimensões do alimento permanecem constates;

� A difusividade mássica da água é considerada constate;

13

� A superfície do produto entra imediatamente em equilíbrio com o ar

secante;

� A umidade limite é a umidade de equilíbrio do alimento.

`f< `f�`f�<`f�

=∝ ∑ ?h^i

Xj�> �%1 �−kj

* lm)

h) n� (21)

Este modelo é puramente baseado na suposição de que a transferência de calor

possa ser desprezada e a secagem possa ser tratada como uma difusão puramente

controlada pelo fenômeno de transferência de massa. O coeficiente de difusividade é

obtido experimentalmente e o coeficiente de transferência de massa é obtido pelo

número de Lewis.

2.6 – Curvas de Secagem

Os produtos biológicos são muito diferentes entre si, devido a sua forma,

estrutura, e suas dimensões. Além das condições de secagem ser muito diversas de

acordo com as propriedades do ar de secagem e com a forma com que se faz o contato

ar-produto. Uma vez que o produto é colocado em contato com ar quente, ocorre uma

transferência do calor do ar ao produto sob o efeito da diferença de temperatura

existente entre eles. Simultaneamente, a diferença de pressão parcial de vapor de água

existente entre o ar e a superfície do produto determina uma transferência de vapor para

o ar. Uma parte do calor que chega ao produto é utilizada para vaporizar a água e a

outra para elevar a temperatura da mistura (DAUDIN, 1983).

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

da operação de secagem faz com que esta seja dividida esquematicamente em três

períodos, mostrados na figura 1.9, onde são apresentadas as curvas de evolução do teor

de água do produto (X), de sua temperatura (T) e da velocidade de secagem (dX/dt),

também chamada de cinética de secagem, ao longo do tempo, para um experimento

utilizando ar de propriedades constantes.

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

secagem (umidade do produto, X, em base seca, em relação à evolução do tempo de

secagem, t). É a curva obtida pesando o produto a cada intervalo de tempo pré-fixado

durante a secagem sob determinadas condições.

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Figura 4: Exemplo de curva de secagem.

A curva (b) representa a cinética de secagem do produto, dX/dt , obtida

diferenciando a curva (a). A curva (c) representa a temperatura do produto durante a

secagem.

Descrevendo os três períodos tem-se:

Período 0 : Período de indução ou período de se entrar em regime operacional.

No começo da secagem, a temperatura do sistema ar-produto é baixa e a

pressão parcial de vapor da água na superfície do produto é débil, e por conseqüência, a

transferência de massa e a taxa de secagem também são débeis. Com a elevação da

temperatura do produto ocorre um aumento de pressão e da taxa de secagem. Este

fenômeno continua até que a transferência de calor compense exatamente a

transferência de massa. Se a temperatura do ar for inferior àquela do produto, esta

última diminuirá até atingir o mesmo estado de equilíbrio. A duração deste período é

insignificante em relação ao período total de secagem.

Período 1 : Período de taxa constante de secagem.

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Durante este período, como no anterior, a quantidade de água disponível dentro

do produto é bem grande. A água evapora-se como água livre. A pressão de vapor de

água na superfície é constante e é igual à pressão de vapor de água pura à temperatura

do produto.

A temperatura do produto, por sua vez, é também constante e é igual à

temperatura de bulbo úmido do ar, característica do fato de que as transferências de

calor e de massa se compensam exatamente. A velocidade de secagem é, por

conseguinte, constante. Este período continua, enquanto a migração de água do interior

até a superfície do produto for suficiente para acompanhar a perda por evaporação de

água na superfície.

É bom ressaltar que para os materiais biológicos é difícil a existência deste

período, pois as condições operacionais de secagem são tais que, as resistências às

transferências de massa encontram-se essencialmente no interior do produto, fazendo

com que a taxa de evaporação da superfície ao ambiente seja bem superior à taxa de

reposição de umidade do interior à superfície do material.

Período 2 : Período de taxa decrescente de secagem.

Desde o momento em que a água que migra do interior do sólido para a

superfície começa a ser deficiente na superfície, a taxa de secagem diminui.

Apesar de alguns autores definirem o valor de teor de água do produto no

ponto de transição entre os períodos 1 e 2 como sendo o teor de água crítico (Xs,cr),

seria conveniente denominar este ponto como "o ponto crítico" passando de taxa

constante à taxa decrescente de secagem, pois este ponto, longe de ser uma propriedade

física do material, é um ponto empírico, que depende inclusive das condições

operacionais de secagem.

Durante este período, a troca de calor não é mais compensada,

conseqüentemente, a temperatura do produto aumenta e tende assintoticamente à

temperatura do ar. Por todo este período o fator limitante é a migração interna de água.

Esta redução da taxa de secagem é às vezes interpretada como uma diminuição da

superfície molhada no período 2, mas a interpretação mais freqüente é pelo abaixamento

da pressão parcial de vapor de água na superfície. No final deste período o produto

estará em equilíbrio com o ar (Xs = Xs,eq) e a velocidade de secagem é nula.

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Na secagem da maioria dos produtos biológicos, somente o período de

secagem em taxa decrescente (período 2) está presente.

O período de secagem a taxa decrescente é às vezes dividido em dois ou três

outros períodos. Entretanto para os produtos agrícolas e alimentares é bem difícil

indicar com clareza as divisões nas curvas experimentais de secagem.

Estas transferências internas de massa são influenciadas por dois fenômenos

particularmente importantes para os produtos biológicos: a migração dos solutos e a

deformação do produto.

17

3 – TIPOS DE SECADORES

O segundo passo no dimensionamento de secadores, formulado por KEEY

(1978), exige o conhecimento do equipamento a ser usado na secagem. NONHEBEL &

MOSS (1971), classificam os secadores de diversas formas, uma delas é segundo o

modo de operação de cada secador (figura 5).

Figura 5: Classificação de secadores segundo o modo de operação. (ALONSO,

2001)

Cada tipo de secador operando de um modo diferente atende às exigências de

processo de diferentes produtos, exemplificada na tabela 1.

Tabela 1: Relação dos produtos com seus secadores mais adequados.

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3.1 – Secadores de Ar Quente Tipo Tambor Rotativo

A secagem tipo tambores aquecidos se processa pela transferência de calor da

parede do tambor para o filme de material a ser seco. O secador contínuo de tambor

rotativo é constituído por um cilindro horizontal alongado, que gira em baixa rotação.

O cilindro é provido de, no mínimo, duas cintas de reforço, apoiadas em dois

roletes horizontais cada uma e, uma cinta dentada acoplada a uma engrenagem de

acionamento motorizada, a fim de permitir a rotação do mesmo.

Um ou mais roletes verticais evitam o deslocamento longitudinal do cilindro.

Internamente, o cilindro é provido de pás longitudinais em toda a sua extensão,

instaladas na periferia e em posição radial, com dimensão transversal da ordem de 1 6o

do diâmetro.

Para permitir o deslocamento longitudinal por gravidade do material a secar, o

cilindro tem uma inclinação ι, no sentido deste deslocamento de 1 a 3%.

Jogando com a rotação e esta inclinação, podemos estabelecer o tempo τ

desejado de permanência do material a secar no secador:

p = qjl 43` �rstnu$ (22)

Por meio de pás, o material é revolvido do interior do secador e se desloca

lentamente em contato perfeito com o ar aquecido que circula em contracorrente.

A temperatura de entrada do ar aquecido por vezes é bastante elevada, podendo

atingir até 600 °C.

O rendimento destes secadores depende basicamente da temperatura do ar à

saída do secador, a qual por sua vez depende do comprimento deste.

Para um bom aproveitamento no processo de secagem, é normal a consideração

de que a temperatura do ar de saída do secador seja inferior a 1 3o da sua temperatura de

entrada.

Nos secadores do tipo contínuo, as fases de aquecimento do material e secagem

propriamente dita se verificam simultaneamente, em sequência ao passar o material ao

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longo do equipamento, de modo que para cada uma delas corresponderá uma superfície

de intercâmbio de calor distinta.

Os secadores de tambor possuem altas taxas de secagem e eficiência energética

e são bons para pastas cujas partículas sejam muito grandes para secagem em spray. A

secagem em tambor é utilizada para produzir flocos de batata, cereais pré-cozidos,

melados, algumas sopas e purês de frutas desidratados e soros ou sólidos solúveis de

destilação para formulações de ração animal. No entanto, o alto custo inicial dos

equipamentos e o dano pelo calor a alimentos termossensíveis, causado pelas altas

temperaturas do tambor, têm motivado uma mudança para secagem por spray de

diversos alimentos desidratados em grande quantidade.

Figura 6: Diagrama do secador rotativo para recobrimento de sementes

(PEREZ, 2001).

Desenvolvimentos no projeto de tambores para aumentar a qualidade sensorial

e nutricional dos alimentos desidratados incluem a utilização de rolos auxiliares para

remover e recolocar o alimento durante a secagem, o uso de ar a alta velocidade para

aumentar a taxa de secagem ou a utilização do ar frio para resfriar o produto. Os

tambores podem ser colocados em uma câmara a vácuo para desidratar alimentos a

temperaturas mais baixas, porém o alto custo inicial desse sistema restringe o seu uso a

alimentos termossensíveis de alto valor agregado.

3.2 – Secadores Spray-Dryer

Na maioria das operações de secagem, a água é o líquido evaporado e o ar

usado como agente separador. A operação de contato gás-sólido em que a fase sólida

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esta numa condição diluída, é conhecida por sistema de pulverização. Os secadores

pulverizadores, ou jato “spray” consistem numa câmara cilíndrica, usualmente vertical,

em que o material a ser seco é pulverizado na forma de pequenas gotículas onde se

introduz o gás quente, suficiente para fornecer o calor necessário para completar a

evaporação do líquido.

Nos últimos anos se tem realizado um grande número de trabalhos

experimentais no estudo do jato “spray” produzido pelos atomizadores, mas pouco se

tem feito para entender o complexo processo que ocorre dentro da câmara de mistura

dos atomizadores (Tapia, 1997).

Nestes equipamentos, o solvente evapora-se rapidamente, devido à grande

superfície especifica das gotas de material (m²/kg), de modo que a secagem é

praticamente instantânea (<60 segundos) e o produto seco se apresenta na forma de pó.

Na realidade, o tempo τ de secagem depende do tamanho das partículas

efetuadas pelo pulverizador e da proporção entre a massa de líquido ML e a massa de

material seco MMS que o compõem.

Este tipo de secagem é a preferida para produtos que podem ser manuseados

em forma de suspensões ou soluções concentradas, como o leite, sucos de frutas, café e

mesmo diversos produtos químicos e farmacêuticos.

A secagem com auxilio de pulverizadores se verifica em 3 etapas:

a) A pulverização, na qual o produto sofre a dispersão, transformando-se em

gotículas de tamanhos reduzidos (2vm a 500μm).

b) O contato do material pulverizado com o meio quente, o qual pode ser tanto

ar aquecido como gases de combustão em excesso de ar.

c) A separação do produto seco na forma de pó.

3.2.1 – Pulverização

A pulverização da massa fluida a secar pode por meio de:

a – Tubeiras de um só fluido.

b – Tubeiras a 2 fluidos.

c – Discos rotativos.

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No caso de usar-se tubeiras de um só fluido, a fim de obter uma boa

uniformidade na câmara de secagem, geralmente esta é única.

Para evitar o desgaste, o material adotado na elaboração destas tubeiras deve

ser adequado, sendo comum o uso de aço-tungstênio.

As pressões são elevadas e dependem da viscosidade, da densidade e do

tamanho das partículas a obter, variando de 3,5 kgf/cm² a 7,0 kgf/cm².

Os diâmetros destas tubeiras dependem da capacidade do secador, mas podem

variar de diâmetros de 0,5 mm a 4,0 mm.

Nas tubeiras a 2 fluidos, é usado um fluido indutor que geralmente é ar ou

vapor d’água na pressão limite de 7,0 kgf/cm², enquanto o fluido a secar é admitido a

uma pressão mais baixa.

Os discos rotativos (atomizadores centrífugos) são discos de diâmetro de 5 cm

a 35 cm que giram a rotações que variam de 3000 RPM a 25000RPM, criando

velocidades periféricas elevadas que variam de 35 m/s a 65 m/s.

Para tal, estes discos são acoplados a motores elétricos com potências que

podem chegar a 100 cv.

3.2.2 – Contato com o Material Pulverizado

O contato do material a secar com o meio quente pode ser, tanto ar aquecido

como gases da combustão com excesso de ar, se verifica na câmara de secagem.

As temperaturas adotadas, em virtude da rapidez da secagem e do fato de o

material ser protegido pela própria gota durante a maior parte do tempo de secagem,

dependem do material a secar, mas não bastante elevadas podendo em casos

excepcionais atingir o valor máximo compatível com a estrutura do secador, que é da

ordem de 800 °C.

A câmara de secagem, por sua vez, deve ter um tamanho suficiente, para que as

partículas percam umidade antes de serem retiradas da mesma.

Para isto, o tempo de secagem (tempo de residência do produto) é fator

dominante.

Geralmente, estas câmaras são executadas em forma de ciclone com diâmetro

igual à altura.

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A movimentação do ar quente ou dos gases da combustão com excesso de ar,

de acordo com o tipo de atomização adotada, pode ser decrescente, ascendente ou mista.

Figura 7: Secador industrial Spray-Dryer.

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4 – REFERE�CIAS BIBLIOGRAFICAS

ALONSO L. F. T.; – Algoritmos de Seleção e Dimensionamento de Secadoras. Tese

de Doutorado – FEA., Universidades Estadual de Campinas, 2001.

CRANK, J.; The Mathematics of Diffusion. 2ªEd. Oxford: Clarendon Press, 1975.

CREMASCO, M. A.; – Fundamentos de Transferência de Massa. 2ªEd. Campinas:

Editora Unicamp, 2002.

DAUDIN, J.D.; Calcul des cinétiques de séchage par l'air chaud des produits

biologiques solides. Sciences des Aliments, Paris: Institut Nacional

Agronomique, v. 3, p.1-36. 1983.

FELLOWS, P. J. Tecnologia do processamento de alimentos: princípios e prática. 2.

ed. Porto Alegre, RS: Artmed.

FORGIONE, N.; MARCO, P.; – Appunti ed Esercizi di Fisica Tecnica e Machine

Termiche. Pisa: Universitá di Pisa, 2002, cap.10.

INCROPERA, P. F.; DEWITT, D. P.; – Fundamentos de Transferência de Calor e de

Massa. 5ªEd. Rio de Janeiro: LTC, 2003.

KEEY, R.B.; Introduction to Industrial Drying Operations. 1aEd. Oxford: Pergamon

Press, 1978.

MASSARANI, G.; TELLES, A.S.; – Tópicos Especiais de Secagem. v.1, São Carlos:

Freire & Santori, 1992.

MOREIRA, J. R. S.; – Fundamentos e Aplicações da Psicrometria. São Paulo: RPA,

1999.

NONHEBEL, G.M.A.; MOSS, A.A.H. Drying of Solids in the Chemical Industry.

London: Butterworth & Co., 1971.

ORDÓÑEZ PEREDA, Juan A.; CAMBERO RODRÍGUEZ, María Isabel;

FERNÁNDEZ ÁLVAREZ, Leónides.; Tecnologia de alimentos. São Paulo:

Artmed, 2005. 1 v.

PERES, W.B.; Desenvolvimento e avaliação de equipamento destinado ao

recobrimento de sementes. 2001. 128f. Tese (Doutorado em Ciêcia e

Tecnologia de Sementes).Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, 2001.

24

POTTER, Norman N; HOTCHKISS, Joseph H.; Ciencia de los alimentos. Zaragosa:

Acribia, 2007. xiv, 667 p.

SILVA, J.A.; Tópicos da tecnologia de alimentos, São Paulo: Livraria Varela, 2000.

SINGH, R. Paul; HELDMAN, Dennis R.; Introduction to food engineering. 3rd ed.

London: Academic Press, c2001. 659 p. (Food Science and Technology,

International Series).

TAPIA. Z., Spray formation in a twin-fluid atomiser, Ph.D. Thesis, University of

Salford, Gran Bretaña, 1997.