CAPA

FOLHA DE ROSTO

FOLHA DE APROVAÇÃO

DEDICATÓRIA

AGRADECIMENTOS

RESUMO NA LÍNGUA VERNÁCULA

RESUMO EM LÍNGUA ESTRANGEIRA

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

LISTA DE TABELAS

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO

Segundo Costa (2007), a secagem é definida como sendo a operação pela qual é

retirada a umidade contida em materiais diversos. De fato, ao secar roupas em máquinas de

lavar ou grãos em um silo, retira-se água presente nesses materiais superficial ou

internamente. Vale dizer que, durante o processo de secagem, outros vapores podem ser

retirados juntamente com a umidade (COSTA, 2007).

Na indústria, é uma das operações mais utilizadas na prática (COSTA, 2007), podendo

ser encontrada no processamento de plásticos, couros e borrachas, enquanto que, na

agropecuária, a secagem tem papel fundamental na garantia de qualidade e conservação de

cereais, grãos e materiais perecíveis em geral.

Em um cenário como o Estado de Goiás, por exemplo, onde a agropecuária é uma das

principais atividades econômicas e que contribui principalmente nas exportações, este

processo possui grande importância na eficiência produtiva das diversas culturas aqui

existentes.

Este destaque é devido às grandes vantagens que a retirada de água promove. Com a

secagem, reduz-se o peso do produto, gerando redução no custo do transporte e armazenagem;

reduzir a umidade também diminui as chances de organismos microbianos se desenvolverem

em meio ao alimento com consequente perda de qualidade (CORNEJO; NOGUEIRA;

WILBERG, 2007). Além disso, quando reconstituído em água, o alimento mantém quase que

integralmente suas características físicas e nutritivas.

Segundo Costa (2007), a secagem pode ocorrer por meios mecânicos, como a

prensagem, a gravidade, a torção e a centrifugação, e também pode ocorrer por difusão. Os

primeiros, geralmente usados quando o produto é um material sólido que não se dissolve em

água, têm a função de realizar uma secagem preliminar apenas, já que a umidade residual

deixada ao fim do processo é alta (no caso da centrifugação com 30-35%, quando se relaciona

a umidade residual com o peso do material seco). Já a secagem por difusão trata-se de uma

operação mais completa de secagem que envolve transferência de calor e de massa entre o

material a ser secado e o ar utilizado na secagem.

Quando se trata de secagem por difusão, a física do processo está no fenômeno da

difusão do vapor d’água no ar. Por isso, fatores tais como a pressão do vapor d’água no

material, a pressão atmosférica e a pressão parcial do vapor d’água do ar de secagem,

influenciam esta operação (os conceitos destes parâmetros serão explicados oportunamente).

Dessa forma, é necessário que o projetista ou usuário de um sistema de secagem tenha

conhecimento abrangente das características do ar úmido, a fim de determinar os melhores

parâmetros para o processo em um projeto particular ou escolher o melhor tipo de secador

para a sua aplicação.

Contudo, conhecimento das características do ar úmido não é o bastante,

principalmente no caso de um projeto. Na secagem de alimentos, madeiras, couro ou

plásticos, é necessário que se leve em consideração problemas nas áreas de mecânica dos

fluidos, da química das superfícies e da estrutura dos sólidos (FOUST e CLUMP, 1982).

Diante de tantas variáveis envolvidas, é natural que se tenha diversas soluções para um

problema de secagem, resultando, assim, em variados tipos de técnicas e equipamentos de

secagem que procuram atender a várias condições de operação. Quanto às técnicas adotadas,

Costa (2007) destaca a secagem natural, a secagem por aquecimento do material, a secagem

por aquecimento do ar, a secagem a vácuo e a secagem por refrigeração.

A secagem natural ocorre quando o material a secar e o ar de secagem se encontram

nas condições ambientes normais. Neste processo, o principal parâmetro do processo é a

velocidade de deslocamento do ar.

A secagem por aquecimento do material, quando comparado com a secagem natural,

tem um aumento de transferência de massa de vapor d’água do material para o ar de secagem

através do aumento da pressão de saturação do vapor d’água na superfície do mesmo causado

pelo aumento de temperatura do material. Esse aumento de temperatura pode ser por

aquecimento solar, por aquecimento direto do material por transmissão de calor por contato

direto, por radiadores de calor ou lâmpadas infravermelhas, por radiofrequência (microondas),

ou por efeito Joule.

A secagem a vácuo é baseada na redução de pressão do ar ambiente. É uma operação

de grande vantagem na secagem de materiais delicados. Isso porque exige que a operação seja

feita a temperaturas mais baixas para ser viável.

A secagem por refrigeração se aproveita da chamada purga frigorífica. Esse fenômeno

é caracterizado pela transferência de massa de vapor d’água entre dois corpos úmidos de

temperaturas diferentes presentes num mesmo ambiente. No caso, o vapor d’água é

transferido do corpo quente para o corpo frio. A vantagem deste processo se assemelha àquela

da secagem a vácuo, onde a operação pode ser feita a temperaturas mais baixas que a

ambiente.

Por último, a técnica de secagem por aquecimento do ar, a técnica mais adotada

atualmente. Esta técnica tem a vantagem de aumentar a pressão de saturação do vapor d’água

do material e aumentar a capacidade de arraste de umidade do ar, o que resulta numa maior

transferência de massa do material para o ar. É técnica cujo princípio é a base de diversos

secadores, que podem ser classificados como (COSTA, 2007): secadores de circulação natural

ou forçada do ar; intermitentes ou contínuos; de fluxo equicorrente, contracorrente, misto ou

de corrente cruzada; do tipo torre, ciclone, tambor rotativo ou túnel, com transporte por

corrente, correia ou carrinhos.

Como dito, os secadores a ar quente podem ser divididos entre contínuos e

intermitentes/descontínuos. Os secadores contínuos por aquecimento de ar são aqueles onde o

material a secar se movimenta entrando no secador com certa umidade e saindo com a

umidade desejada, num processo contínuo. Este material pode se deslocar em relação ao ar de

maneira equicorrente, contracorrente, por correntes cruzadas ou corrente mista (COSTA,

2007). Desse modo, este tipo de secador pode apresentar-se de várias maneiras construtivas.

Os principais são os de tambor rotatório, os do tipo túnel, os do tipo torre com circulação do

material por gravidade e os secadores modernos com atomizadores, com destaque para os dois

primeiros.

Os secadores de tambor rotatório são aplicados na secagem de sal marinho, calcário,

areias e demais materiais particulados que podem ainda sofrer fragmentação sem prejuízo à

qualidade. Basicamente é constituído por um cilindro horizontal alongado, que gira em baixa

rotação. E para que o material a secar possa se deslocar longitudinalmente, o cilindro tem uma

inclinação por volta de 1 a 3% (COSTA, 2007). Este secador tem a vantagem de ter uma

secagem maior do que em secadores de tabuleiros ou túneis secadores, devido à maior área

exposta do sólido (FOUST e CLUMP, 1982). Um secador do tipo tambor pode ser visto na

Figura 1.

Figura 1 – Esquema básico de um secador rotatório com suas principais dimensões produzidos pela Alliance Indústria Mecânica.

FONTE: ALLIANCE INDÚSTRIA MECÂNICA.

Os secadores do tipo túnel, cujo esquema básico pode ser visto na Figura 2, são

caracterizados pelo deslocamento contínuo do material a secar pela câmara de secagem

(FOUST e CLUMP, 1982). Este deslocamento ocorre através de bandejas em vagonetes e o

fluxo de ar pela câmara de secagem assume diversas direções sucessivamente, ora sendo

transversal ao fluxo do material, ora sendo em sentido contracorrente ou até em corrente

paralela. Segundo Cornejo, Nogueira e Wilberg (2014), este tipo de secador é recomendado

para aplicações onde há grande quantidade de matéria-prima a ser secada. Além disso, estes

equipamentos exigem do operador tenha certo nível de habilidade para que mantenha o

produto final com características homogêneas.

Figura 2 - Esquema de um secador a túnel.

FONTE: (MELONI, 2003).

Um equipamento semelhante ao secador de túnel é o secador com esteiras

transportadoras, onde o material se desloca através de esteiras transportadoras feitas de chapa

metálicas perfuradas ou de tela metálica e o aquecimento se dá por meio de tubos de vapor

aletados. Na Figura 3, pode ser visto um secador com esteiras transportadoras.

Figura 3 - Secador com esteira transportadora.

FONTE: (FOUST et. al., 1982).

Segundo Costa (2007), os equipamentos de secagem intermitentes/descontínuos

trabalham por batelada, ou seja, trabalham com uma carga fixa de material a secar. Exemplos

de materiais secados neste tipo de equipamento são os tijolos, cerâmicas, fumo e tecidos, que

são alojados em câmaras de secagem, e também cereais e materiais granulados, alojados em

silos de seção circular ou retangular. Aqui, serão destacados o secador de leito fluidizado e o

secador a bandeja.

Dentre estes secadores descontínuos, Celestino (2010) conta que no caso do secador

de leito fluidizado ou leito de jorro, “o ar quente atravessa um leito, onde o alimento sólido

está depositado e, pela sua alta velocidade, o ar quente é capaz de fluidizar (ressuspender)

esse alimento”. Utilizado na secagem de ervilhas, café, farinha e sal, este tipo de secador, cujo

esquema básico pode ser visto na Figura 4, tem a vantagem de secar o alimento de forma bem

homogênea e rápida. Porém, exige que o alimento sólido suporte danos mecânicos.

Figura 4 - Esquema de um secador de leito fluidizado.

FONTE: (CELESTINO, 2010).

Os secadores a bandeja são o tipo mais simples de secador e o mais comum entre os

secadores de batelada. De simples construção e operação, com baixo custo de manutenção,

este secador consiste basicamente de uma câmara com isolamento térmico, com sistemas de

aquecimento e ventilação de ar circulante sobre bandejas que ficam em uma base fixa (PUHL;

NITZKE, 20??). Tais bandejas, cuja quantidade pode ser de 20 ou mais, podem ter fundo

inteiriço ou serem telados, permitindo o escoamento do ar de secagem através das bandejas e

do material. É um equipamento de operação descontínua e para aplicações em pequena escala

(FOUST e CLUMP, 1982). Um secador de bandeja é utilizado, por exemplo, no

processamento de maçãs desidratadas, tomates secos, figos secos e bananas passas. Um

esquema básico de um secador de bandeja pode ser visto na Figura 5.

Figura 5 - Esquema básico de um secador de bandejas.

FONTE: (FOUST e CLUMP, 1982).

Como já dito, para entendermos os princípios físicos envolvidos na secagem de

materiais diversos por meio de ar quente, é necessário que sejam bem conhecidas as

características do ar úmido. Por isso, na próxima seção serão expostos conceitos e definições

da psicrometria, área da ciência que estuda as relações entre o ar e o vapor d’água.

1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1. Fundamentos de Transferência de Massa

2. CONCEITOS E DEFINIÇÕES

Nesta seção serão apresentadas as algumas definições e conceitos presentes na teoria

da psicrometria e da termodinâmica e que serão utilizadas no desenvolvimento deste trabalho.

As definições foram retiradas de (MELONI, 2003).

PSICROMETRIA: Área da física relacionada com a medição ou a determinação das

condições do ar atmosférico, particularmente relativo à mistura de ar seco e vapor d’água.

TEMPERATURA DE BULBO SECO (T): É a verdadeira temperatura do ar úmido

e frequentemente denominada temperatura do ar. É a temperatura do ar marcada em um

termômetro comum.

TEMPERATURA DE PONTO DE ORVALHO (Tpo): É a temperatura na qual o ar

úmido não saturado se satura, mantidas constantes a pressão e a razão de umidade.

TEMPERATURA DE BULBO ÚMIDO (Tbu): É a temperatura de equilíbrio que se

alcança quando a mistura de ar seco e vapor d’água passa por um processo de resfriamento

adiabático até chegar à saturação.

PRESSÃO DE VAPOR (Pv): É a pressão parcial que exercem as moléculas de vapor

d’água presentes no ar úmido. Quando o ar está completamente saturado de vapor d’água, sua

pressão de vapor se denomina pressão de vapor saturado (Pvs).

RAZÃO DE UMIDADE (Razão de mistura) (W): Relação entre a massa de vapor

d’água e a massa de ar seco em um determinado volume de mistura.

UMIDADE RELATIVA (UR): Razão entre a pressão de vapor d’água em um

determinado momento (Pv) e a pressão de vapor d’água quando o ar está saturado de umidade

(Pvs), para a mesma temperatura. Pode ser expresso como um decimal ou como porcentagem.

UMIDADE ABSOLUTA (UA): Relação entre a massa de vapor d’água e o volume

que ocupa a mistura de ar seco e vapor d’água.

GRAU DE SATURAÇÃO (m): Relação entre a razão de umidade real da mistura

(W) e a razão de umidade do ar em estado de saturação (Ws), para a mesma temperatura e

pressão atmosférica.

ENTALPIA (h): Energia do ar úmido por unidade de massa de ar seco, sobre uma

temperatura de referência.

VOLUME ESPECÍFICO (Ve): O volume específico do ar úmido é definido como o

volume que ocupa a mistura de ar seco e vapor d’água por unidade de massa de ar seco. A

massa específica do ar úmido não é igual ao recíproco de seu volume específico. A massa

específica do ar úmido é a relação entre a massa total da mistura e o volume que ela ocupa.

3. COMPORTAMENTO GERAL NA SECAGEM

3.1. Mecanismos de migração da umidade

Para que haja a secagem completa do sólido e não apenas da superfície do mesmo, a

água deve caminhar dos interstícios do material a secar para a superfície, a fim de que o ar

secante promova sua evaporação e seu arraste. Dessa forma, Park et. al. (2007) destaca os

principais mecanismos de migração da umidade. São elas:

i. Difusão líquida: que ocorre devido à existência do gradiente de concentração;

ii. Difusão de vapor: que ocorre devido ao gradiente de pressão de vapor, causado

pelo gradiente de temperatura;

iii. Escoamento de líquido e de vapor: que ocorrem devido à diferença de pressão

externa, de concentração, capilaridade e alta temperatura.

3.2. Curvas de secagem

Apesar dos diferentes tipos de materiais a serem secados e dos diversos secadores

existentes, é possível descrever um comportamento geral na secagem de sólidos úmidos. Esse

comportamento, como veremos, pode ser representado até mesmo por curvas típicas de

secagem que dividem o processo em diferentes etapas ou períodos.

Foust et. al.(1982) conta que, inicialmente, logo após o contato entre a amostra e o

meio secante, a temperatura do sólido começa a alterar-se para atingir a temperatura de bulbo

úmido do ar secante. Nesta etapa, a velocidade de secagem pode aumentar ou diminuir até que

o estado de regime permanente seja atingido.

Em regime permanente, a temperatura da superfície do sólido se torna igual à

temperatura de bulbo úmido do ar secante. As temperaturas internas também tendem a se

igualar a esta temperatura, mas, devido à defasagem entre a velocidade de transferência de

massa e a velocidade de transferência de calor, a perfeita concordância entre estas

temperaturas não ocorre. Nesta fase, a velocidade de secagem permanece constante, de modo

que este período é chamado de período de secagem a taxa constante (FOUST et. al., 1982).

O período de secagem a taxa constante acaba quando o sólido atinge o teor de

umidade crítico, momento em que “o movimento do líquido para a superfície do sólido torna-

se insuficiente para substituir o líquido que está sendo evaporando” (FOUST et. al., 1982). A

partir daí, a temperatura do sólido úmido tende a elevar-se e a taxa de secagem cai

rapidamente, caracterizando o período de taxa decrescente. Este período, apesar da baixa

remoção de umidade, pode perdurar por mais tempo do que o período de taxa constante.

Quando o teor de umidade chega ao teor de umidade de equilíbrio, o menor teor de umidade

atingível, a taxa de secagem chega próximo de zero.

Nas Figuras 6 e 7 são mostradas as curvas típicas de secagem. Na Figura 6, encontra-

se o gráfico do teor de umidade, em massa de líquido por massa de sólido seco, em função do

tempo. Já na Figura 7, é mostrada a relação típica da velocidade de secagem, em kg/h.m² e o

teor de umidade.

FIGURAS 6 E 7

REFERÊNCIAS

UHL, Janice; NITZKE, Julio Alberto. Secagem de vegetais: Secador do tipo bandeja. Disponível em: <http://www.ufrgs.br/alimentus1/objetos/veg_desidratados/c_bandeja.html>. Acesso em: 11 set. 2014.

COSTA, Ennio Cruz da. Secagem Industrial. São Paulo: Blucher, 2007.

FOUST, Alan S. et al. Princípios das Operações Unitárias. 2. ed. Rio de Janeiro: Ltc, 1982.

CORNEJO, Felix Emílio Prado; NOGUEIRA, Regina Isabel; WILBERG, Viktor Christian. Árvore do Conhcimento - Tecnologia de Alimentos: Máquinas e Equipamentos. Disponível em: <http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/tecnologia_de_alimentos/arvore/CONT000fid3s5b702wyiv80z4s473k6g37yw.html>. Acesso em: 28 set. 2014.

CELESTINO, Sônia Maria Costa. Princípios de Secagem de Alimentos. Planaltina: Embrapa, 2010. 51 p. Disponível em: <www.cpac.embrapa.br/download/1735/t>. Acesso em: 28 set. 2014

MELONI, P. L. S. Semana Internacional Da Fruticultura, Floricultura E Agroindústria, 10., 2003, Fortaleza. Desidratação de Frutas e Hortaliças. Fortaleza: Instituto Frutal, 2003. 87 p. Disponível em: <http://www.eteavare.com.br/arquivos/20_1959.pdf>. Acesso em: 28 set. 2014.

PERUSSELLO, C.A.; Estudo dos Parâmetros de Processos e Modelagem Numérica da Secagem do Resíduo Sólido da Produção do Extrato Hidrossolúvel de Soja (Okara). Curitiba, 9 jul. 2008. Disponível em <http://www.biblioteca.pucpr.br/>. Acesso em: 29 set. 2014.PARK, Kil Jin et al. Conceitos de processo e equipamentos de secagem. 2007. Disponível em: <http://www.feagri.unicamp.br/ctea/manuais/concproceqsec_07.pdf>. Acesso em: 28 set. 2014.