introdução secagem

Disciplina: Operações Unitárias III Prof: Pedro Leite de Santana

SECAGEMAlunos:

Aldo Cardoso dos SantosAmanda Marcionila Cruz Lima

Andreza Carla RibeiroArielle Paulino Gonçalves

Augusto Fábio dos ReisSylvio Soares da Silva

São Cristóvão, Dezembro de 2008

• Processo de remoção de substâncias voláteis (umidade) de um material sólido ou líquido, devido à existência de gradientes de potencial de umidade (pressão de vapor) e de temperatura entre o meio do qual a umidade é removida e o meio para o qual a umidade é transferida.

• Quando o meio para o qual a umidade é transferida é um gás em movimento (escoamento), a secagem é denominada convectiva.

• Embora não seja a única, a água é a principal substância volátil que se deseja remover de sólidos em processos industriais.

Introdução

• Para que os mecanismos pelos quais a água (umidade) é removida de um material sendo seco possam ser compreendidos e analisados, é necessário que se conheça as propriedades do agente de secagem (gás) e do material em secagem que influenciam diretamente o processo de remoção.

• Os agentes de secagem mais comumente utilizados são o ar úmido e misturas de ar úmido com gases de combustão.

Introdução

A investigação da secagem e o cálculo das dimensões do equipamento de secagem devem levar em conta uma multidão de problemas nas áreas da mecânica dos fluidos, da química da superfícies e da estrutura dos sólidos, além dos problemas de velocidade de transferência. Em muitos casos, o projeto perfeitamente cotado do secador é impossível, pois estes fenômenos físico-químicos são muito complicados e imperfeitamente compreendidos.

Introdução

• Como é natural, a espessura controla o grau secagem e, por isso, o teor final de umidade. Estes fatores assumem grande importância, pois em geral o sólido seco é o produto valioso.

• A sua forma, cor, estabilidade e textura fixam o seu valor de venda e dependem do processo de secagem a qual foi submetido.

Introdução

• Na secagem de um sólido úmido, mediante um gás a uma temperatura e a uma umidade fixas, manifesta-se sempre um certo tipo de comportamento. Imediatamente depois do contato entre a amostra e o meio secante, a temperatura do sólido ajusta-se até atingir um regime permanente.

• A temperatura do sólido e a velocidade de secagem podem aumentar ou diminuir para chegarem às condições do regime permanente.

Comportamento geral da secagem

• As temperaturas no interior do sólido tendem a ser iguais à temperatura de bulbo-úmido do gás, mas a concordância entre elas é imperfeita em virtude das defasagens entre o movimento de massa e de calor.

• Uma vez que as temperaturas do sólido tenham atingido a temperatura de bulbo úmido do gás, elas permanecem bastante estáveis e a taxa de secagem também permanece constante. Este período da secagem é o período de secagem a taxa constante.


• O período termina quando o sólido atinge o teor de umidade crítico. Além deste ponto, a temperatura da superfície eleva-se e a taxa de secagem cai rapidamente.

• O período de taxa decrescente pode ser bem mais dilatado que o período de taxa constante, embora a remoção da umidade seja muito menor.

• 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, com o sólido nas condições a que está submetido.


• A secagem ocorre como se fosse a evaporação de uma massa de liquido, sem haver influência direta do sólido na taxa de secagem.

• A temperatura da superfície atinge, conforme se pode esperar, a temperatura de bulbo úmido.


• A parte da superfície que está saturada seca pela transferência convectiva de calor para a corrente gasosa e pela transferência de massa para a corrente do gás secante.

• O vapor, nos níveis mais internos da amostra sólida, difunde-se para parte da superfície que não está saturada e continua a difundir-se para a corrente gasosa. Este mecanismo é muito lento em comparação com a transferência convectiva que ocorre na superfície saturada.



• Desde que as taxas de difusão são menores que o escoamento por gravidade ou por capilaridade, os sólidos nos quais a difusão controla o movimento do líquido tendem a ter períodos à taxa constante mais curtos, ou mesmo a secarem sem que haja um período de taxa constante perceptível.

• A parte da superfície que está saturada seca pela transferência convectiva de calor para a corrente gasosa e pela transferência de massa para a corrente do gás secante.

• O teor de umidade de equilíbrio é atingido quando a pressão de vapor sobre o sólido é igual à pressão parcial do vapor no gás secante afluente.


1. Objetivo

2. Balanço de massa

3. Balanço de energia

4. Cálculo do tempo de secagem

CÁLCULO DE PROJETO DE SECADORES


1.1. Equações Básicas para Secadores em Batelada

(eq. 1.1)

Ondems é a massa de sólido seco (kg) e X é o teor de umidade em base seca (kg umidade/kg sólido seco).

A massa de umidade evaporada mA durante o processo de secagem é pode ser

(eq. 1.2)

X1 e X2 são os teores de umidade do material na entrada e na saída do secador, respectivamente.


O teor de umidade do material pode ser calculado como

ou

Portanto, a massa de umidade evaporada pode ser calculada da relação

em que mA1 e mA2 representam as quantidades totais de umidade no materialúmido e seco, respectivamente. Portanto

(eq. 1.3)

(eq. 1.4)

(eq. 1.5)

(eq. 1.6)


O valor que permanece constante no processo de secagem é a massa de ar seco (Wgs) na corrente de ar úmido (Wg). A umidade introduzida no secador contínuo é composta do seguinte:

Umidade para dentro do secador:- umidade no material úmido, Ws1X’1; e - umidade no ar ambiente, WgY0.

2. Balanço de massa

Umidade para fora do secador:- umidade no material seco, Ws2X’2; e- umidade no ar de exaustão, Wg2Y2.

Em condições de regime permanente, a massa de umidade introduzida nosecador é igual à massa de umidade que sai do secador:

(eq. 2.1)


Reordenando a equação 2.1, podemos obter o consumo de ar para 1 kg de umidade evaporada (consumo específico de ar) no secador é dado por:

(eq. 2.2)


O calor introduzido com o material úmido pode ser calculado da equação:

3. Balanço de energia

Onde Ws e Wa são as vazões em massa de material seco e de umidade, respectivamente, cps e cpa são os calores específicos do sólido seco e da água (no estado líquido), respectivamente.

Energia, em geral, é introduzida no secador por meio de- calor sensível do ar ambiente, WgIg0;- aquecedor externo, Qext; e- calor sensível do material úmido, Ws1cps1Ts1.


Calor é removido do secador por:- calor sensível do ar, WgIg2;- calor sensível do material seco, Ws2cps2Ts2;- - perdas de calor, Qperdas.

Calor é também introduzido no secador por meio de aquecedores internos ,Q int.

Em condições de regime permanente, o balanço global de energia no secador é:


Define-se a velocidade de secagem pela seguinte equação

Onde:R = velocidade ou taxa de secagem (kg líquido evaporado/s.m2)Ws = peso do sólido seco (kg)X´ = teor de umidade no sólido (kg líquido evaporado/kg sólido seco)

Reordenando a equação 01 e integrando entre o intervalo [0, ] determinamos o tempo de secagem.

Onde: X`1 = teor de umidade no instante 0 X`2 = teor de umidade no instante

1. Cálculo do tempo de secagem


Onde:X`c = teor de umidade ao término do período de velocidade constante (kg de água/kg de sólido seco)X`1 = teor de umidade no início do processo de secagem.

c = duração da secagem (h)

No período de secagem a velocidade constante (R = Rc). Integrando a 2° equação temos

O coeficiente Rc dependerá dos parâmetros de transferência de calor e de massa entre o meio secante e a superfície do sólido

A taxa total de calor é expressa como


Onde:Uk = coeficiente global de transmissão de calor para a superfície de secagem pela convecção e pela condução através do leito até a superfície de evaporação.hc = coeficiente de transmissão de calor por convecção, do gás para a superfície sólida.hr = coeficiente de transmissão de calor radiante entre a superfície do material e as paredes da câmara de secagem.TW = temperatura das paredes do espaço de secagem.Tv = temperatura do gás secante.Ti = temperatura da interface líquido-gás, respectivamente.


O coeficiente de convecção e expresso pela equação

Assumindo que existem poucos dados para fixação das constantes da equação 07


O Projeto de um secador rotativo de aquecimento direto (Figura 3), com escoamento paralelo, para minerais. Com a capacidade de processamento de 15 toneladas por hora. Com a temperatura do minério na alimentação de 15°C. O tamanho das partículas é de 50% em peso acima de 600 µm. A umidade inicial (na alimentação) do produto é de 12% em peso e a umidade final do produto (na descarga) é de 3% em peso. A massa específica dos sólidos é de 2,250 kg/m3 e o calor específico dos sólidos é de 0,8 kJ/kgK. Os sólidos não são solúveis em água. A densidade de partículas (bulk) é de 1.400 kg/m3. A temperatura do ar ambiente é de 10°C e a temperatura de entrada do gás é de 700°C. A velocidade de saída do gás é de 1,5 m/s. Os dados para o sistema ar/água são: calor específico da água de 4,19 kJ/kgK; calor específico do vapor de água de 1,886 kJ/kgK; calor latente de vaporização a 0°C de 2,504 kJ/kg; relação para massa específica do vapor de água, a 105 Pa, dada por 220/(273+T) kg/m3; calor específico médio do ar de 1,05 kJ/kgK; e relação para massa específica do ar, a 105 Pa, dada por 355/(273+T) kg/m3.

Figura 3 – Secador Rotativo (Nonhebel & Moss, 1971)


Hipóteses e pressuposições:1° - Não há disponibilidade de resultados de testes experimentais em escala piloto.

Testes em escala piloto seriam interessantes, pois os mesmos elucidariam a questão de qual seria a velocidade de gás máxima permissível.

2° - O carregamento de partículas no escoamento de gás é desprezível; e3° - A temperatura de saída do produto é pressuposta ser igual à temperatura de

saída do gás

Resolução

Dados:

Evap = 1.984 – 450 = 1.534 kg/h

Entrada Saída

Água 1.984 450

Sólidos 14.550 14550

Total 16.534 15000

Balanço de massa para a água e sólidos (kg/h):

quantidade de água evaporada é dada por


CÁLCULO da temperatura de saída do gás.Tas = 0,05(700) + 64,5 = 99,5°C

Balanço de energia (kJ/h)

O calor transferido para a água evaporada é dado por:Q1 = Evap(λ + 1,886 Tas – 4,19 Tf)

Q1 = 4.032.590 kJ/hO calor transferido para o sólido seco é por

Q2 = Msólido(cp, sólido)(Tgás – Tent. sólido)

Q2 = 14.550(0,8)(99,5 - 15)

Q2 = 983.580 kJ/h

E o calor transferido para a água residual é por:

Q3 = 159.325 kJ/h


O calor total transferido pelo gás é dado por

Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 Qtotal = 4.032.590 kJ/h + 983.580 kJ/h + 159.325 kJ/h

Qtotal =5.175.495 kJ/h

O calor (Qrp) para o funcionamento adequado do secador em regime permanente é dado por


A energia total empregada para a secagem é dada por


Unidade de preparação de ar

A vazão de ar no secador pode então ser calculada de


A massa especifica do ar é calculada por:

A massa especifica do ar é calculada por:


Com a vazão volumétrica de ar, pode-se calcular a potência do ventilador, considerando a queda de pressão no sistema de Δp = 2.500 N/m2

Recomenda-se que se utilize um ventilador com uma potência em torno de 20% acima da calculada, por exemplo, neste caso, um ventilador com potência de 15 kW.


SecadorO diâmetro do secador pode ser calculado com base nas condições de

saída. As massas específicas do gás (ar) e da água na saída são respectivamente:

A vazão de ar na saída, incluindo o ar de ingresso (20%), é

A vazão volumétrica da água no secador é dada por

A vazão total de gás (ar + água) saindo do secador é:

Gtotal = Gvc + Fvw Gtotal = 15.515 m3/h


O diâmetro do secador pode ser calculado, considerando que o mesmo pode ser considerado um duto circular

O fator 0,85 é utilizado para compensar a área da seção transversal ocupada pelas aletas suspensórias e outros componentes mecânicos internos.

O comprimento L do secador pode ser calculado a partir da razão prática de L/D = 7

L = 7 * 2,1L = 14,7 m


Uma vez calculados o diâmetro e o comprimento do secador, pode-se calcular a potência motora, necessária para girar o tambor:

Recomenda-se que se utilize um motor com potência motora nominal de no mínimo duas vezes a calculada, por exemplo, para o caso em estudo, utilizar um motor de 40 kW


Floculação

Obrigado!

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