Relatório de Secagem na Engenharia de Alimentos

8/19/2019 Relatório de Secagem na Engenharia de Alimentos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICADEQ0314 – OPERAÇÕES UNITARIAS EXPERIMENTALPROFESSOR: HUMBERTO NEVES MAIA DE OLIVEIRA

SECAGEM

NATAL/RN

FEVEREIRO DE 2016


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ALBERTO AUGUSTO BEZERRA DE MEDEIROSHEULYSON ARRUDA ALMINO

PATRÍCIA GOMES DOS SANTOS

SECAGEM

NATAL/RNFEVEREIRO DE 2016

Trabalho como parte da avaliação dadda disciplina DEQ-0614 - OperaçõesUnitárias Experimental do curso deEngenharia de Alimentos.


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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO............................................................................................032. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA................................................................043. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL.......................................................084. RESULTADOS E DISCURSSÕES..............................................................105. CONCLUSÃO.............................................................................................14


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1. INTRODUÇÃO

O processo de secagem consiste na remoção de umidade esteja esta na forma deágua ou outro componente não volátil presente em sólidos ou soluções nas quais

os sólidos encontram-se dissolvidos (SEADER et. al. 2010). Esta operação éuma das mais usuais na indústria alimentícia, farmacêutica e química, sendo emalguns casos o último processamento antes da embalagem.

Tem por objetivo remover umidade do produto, melhorando algumascaracterísticas especificas na qualidade, como cor, sabor, aroma, conservação(PACHECO, 1011 apud CESCAGE, 2013). A quantidade de energia gasta,tempo e qualidade do produto seco são aspectos fundamentais em um processobem sucedido neste tipo de operação.

O presente trabalho tem como objetivos através de aula pratica estudar osparâmetros envolvidos no processo de secagem de extrato de tomate, bem comoobter dados da variação da umidade livre no sólido, curva e velocidade desecagem.


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2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Neste tipo de processo, observa-se a transferência de calor e de massa, atransição do calor pode ser realizada por convenção do ar para o produto,elevando a temperatura do produto quanto da água ou solvente nele retido comoumidade. A transferência de massa ocorre quando a umidade migra na forma delíquido ou vapor do interior do produto para a superfície que entra em contatocom o ar quente, evaporando sendo tranferido para o ar na forma de vapr deágua (STRUMILO et. al. 1989 apud MICHALEWICZ, 2003). Segundo SEADER, et. al. 2010, os métodos mais comuns de transferência decalor são:- por convecção: onde o agente de secagem é representado por um gás aquecidoe colocado em contacto com o material;- por condução: onde o material a ser secado é colocado em contacto com asuperfície de uma fonte de calor, muito utilizado em casos onde o material as sersecado é muito fino ou com muita umidade;- por radiação: onde o material é exposto e aquecido através de transferência deenergia das micro-ondas.

O principal equipamento utilizado na operação de secagem é conhecido comosecador, o qual pode ser classificado quanto ao modo de operação comocontínuo ou em batelada. Secadores podem ser classificados quanto ao modo detransferência de calor empregado na secagem. Secadores convectivos ouadiabáticos transferem calor de forma direta ao sólido úmido através de um gásaquecido, além de prover energia ao material atua na difusão da umidade nosentido oposto ao da superfície do sólido. Quando secadores convectivos são

utilizados em regime contínuo, o gás aquecido pode fluir em contracorrente(mais eficiente) ou co-corrente (utilizado em casos que o material é sensitivo àtemperatura). Secadores não adiabáticos atuam na transferência de energiatérmica ao material de forma indireta por condução e/ou radiação. Essessecadores operaram a vácuo reduzindo a temperatura na qual a umidade presenteno sólido vaporiza, além de requerer presença de um gás para facilitar a remoçãodifusiva da umidade. Secadores convectivos são mais onerosos que os não

adiabáticos, portanto o custo de operação dos secadores não adiabáticos é maiscaro. Secadores em batelada são indicados para casos em que a taxa de produção


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é menor que 500 lb/h de sólido seco, enquanto processos contínuos sãoindicados quando a taxa de produção for maior que 2000 lb/h de sólido seco(SEADER, et. al. 2010).

A figura 1 e 2 apresenta o esquema representativo dos secadores convectivo epor condução.

Figura 1: Esquema do funcionamento de um secador convectivo.Fonte: Park (2007 apud OLIVEIRA, 2014)

Figura 2: Esquema do funcionamento de um secador por condução.Fonte: Park (2007 apud OLIVEIRA, 2014)

Quando um sólido é secado experimentalmente, dados a respeito do teor deumidade presente no sólido podem ser representados graficamente de acordocom o tempo de secagem.


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Uma variável importante na secagem de materiais é a umidade do ar em contatocom um sólido de teor de umidade dado. Teor de umidade de equilíbrio domaterial é o teor de umidade alcançado pelo sólido após sua exposição com o arpor um longo período de tempo.

Teor de umidade livre em uma amostra é a umidade acima do teor deumidade de equilíbrio, que pode ser removida por secagem sob dadapercentagem de umidade relativa.

Os dados obtidos de um experimento de secagem a batelada sãoexpressos comoW , peso total do sólido úmido (sólido seco + umidade), hádiferentes tempos, t, no período de secagem.

SejaWS - peso do sólido seco, em kg, então:

Equação (1)

X = Xt - X* Equação (2)

Onde: X * = kg de umidade no equilíbrio / kg de sólido seco X = kg de água livre / kg de sólido seco

Resolvidas as equações pode-se plotar os gráficos X versus t, que estarepresentado abaixo:

Figura 3 - (a) Curva de velocidade de secagem típica: umidade livre versus tempo.(b) Curva de velocidade de secagem típica: velocidade versus teor de umidade livre.


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= Á

* Equação (3)

R é a velocidade de secagem (kg H2O/h m2), WS – peso de sólido seco usado(kg) e A é a área da superfície de secagem exposta (m2).

Para obter a figura 1b determinam-se osdX/dt a partir da derivada da equaçãoobtida na Figura 1a ou então calcula-se o peso perdido, d X , para cada tempo dt .Uma vez determinada à relação entre a taxa de secagem (R) e a umidade livre(X), pode-se integrar a equação (1) para obter um determinado tempo desecagem de um dado material.

Equação (4)

Quando a secagem ocorre no período estudado a velocidade, então R = cte = RC.Integrando a equação acima para o “constant-rate period” período de velocidade

constante, tem-se:

Equação (5)

Os fatores que influenciam a velocidade de secagem são: temperatura, umidaderelativa, fluxo do ar, tempo de exposição a estas condições, teores de água iniciale final e das características do sólido a ser secado. Sendo assim, “um controleadequado das condições higrotérmicas é crucial ao sucesso do processo desecagem” (KEEY, 1978 apud MICHALEWICZ, 2003). Vale lembrar que estetipo de operação não pode ser confundida com evaporação cuja operação édestinada principalmente a retirada de grandes quantidades de umidade em

soluções das mais variadas concentrações.


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3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O experimento foi realizado no dia 19/02/2016 no Laboratório de OperaçõesUnitárias na Universidade Federal do Rio Grande do Norte.Foram utilizados os seguintes materiais e equipamentos:

• Balança analítica de precisão;• Cápsula de papel alumínio;• Espátula;• Amostra de extrato de tomate Marca Palmeiron, embalagem de vidro, peso

líquido 180g.• Balança de umidade.

As imagens abaixo foram obtidas durante a realização do experimento:

(a)(b)


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(c)(d)

Figura 4: Imagens obtidas durante a realização do experimento.

1. Mediu-se seu diâmetro e pesou-se em balança analítica de precisão e foianotado o valor do diâmetro e do peso da cápsula.

2. Espalhou-se uma fina e uniforme camada de extrato de tomate sobre acápsula; pesou-se em balança analítica de precisão o conjunto (amostra +cápsula), foram anotados os valores obtidos. Encontrou-se o pesoindividual da amostra pela diferença de peso entre o conjunto e a cápsula depapel alumínio.

3. Colocou- se o conjunto (amostra + cápsula) na bandeja da balança deumidade a temperatura de 114°C.

4. Monitorou-se a variação de massa em intervalos de tempo de 1 minuto, atéque o peso expresso na balança permanecesse constante.

5. Após a estabilização da massa, pesou-se o conjunto (amostra + cápsula) na

balança analítica de precisão.


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4. RESULTADOS E DISCURSÕES

A fim de se obter a curva de umidade livre em função do tempo, é necessárioque algumas definições sejam estabelecidas. SejaW o peso da amostra em umdado tempot e Ws a massa da amostra no final do processo de secagem (massasólido seco), define-se comoteor de umidade do sólido Xt, em base seca,através daequação 1. Define-se também como oteor de umidade livre dosólido X pela equação 2, na qual X* representa oteor de umidade deequilíbrio. Com não é possível estimar o teor de umidade de equilíbrio,consideraremos que o é igual ao teor de umidade livre, isto, é Xt = X. Os dadosobtidos de W em função do tempo bem como X são mostrados natabela 1.Plotando-se o teor de umidade livre pelo tempo, obtém-se a curva mostradano gráfico 1.

A tabela abaixo apresenta o teor de umidade livre em relação ao tempo obtidodurante a realização do experimento, bem como o gráfico obtido.

t (min) W (g) X (kg de água livre / kg de sólido seco)

0 2,91 3,279411

1 2,64 2,882352

2 2,22 2,264705

3 1,80 1,647058

4 1,52 1,235294

5 1,25 0,838235

6 1,04 0,529411

7 0,920,352941


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8 0,85 0,250000

9 0,81 0,191176

10 0,780,147058

12 0,73 0,073529

14 0,71 0,044117

16 0,69 0,014705

18 0,68 0

22 0,68 0

27 0,68 0

Tabela 1- dados do teor de umidade livre em relação ao tempo.

Gráfico 1 - curva da umidade livre pelo tempo.

Para obter a curva da velocidade de secagem pelo teor de umidade livre, estima-se a velocidade de secagem a partir daequação 3, onde o termo dx/dt pode seraproximado por∆ x/ ∆ t e a área de secagem é calculada através daequação 4 eutilizando o diâmetro da fôrma (D = 8,8 cm). Os resultados para a taxa desecagem em relação ao tempo são mostrados natabela 2 e gráfico 2.

y = 0,0102x 2 - 0,362x + 2,7848R² = 0,8958

-1

0

1

2

3

4

0 5 10 15 20 25 30 T e o r

d e u m i d a d e

l i v r e

( X )

Tempo (min)

Curva da umidade livre Vs tempo


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D (cm) 8,8Ws (g) 0,68A (cm) 60,8212

T (h) X ∆ X/ ∆ t |R| kg H20/h.cm0 3,2794 - -

0,0167 2,8823 23,7784 0,26580,0333 2,2647 37,2048 0,41590,0500 1,6470 36,9880 0,41350,0667 1,2353 24,6526 0,27560,0833 0,8382 23,9216 0,26740,1000 0,5294 18,4910 0,20670,1167 0,3529 10,5688 0,1181

0,1333 0,2500 6,1987 0,06930,1500 0,1912 3,5209 0,0393

0,1667 0,1470 2,6467 0,02960,2000 0,0735 2,2072 0,02460,2333 0,0441 0,8829 0,00980,2666 0,0147 0,8829 0,00980,3000 0 0 00,3666 0 0 00,4500 0 0 0

Tabela 2 - Dados da velocidade de secagem em relação ao teor de umidade livre.


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Gráfico 2 - Curva da velocidade de secagem versus o teor de umidade livre.

Segundo PARKet al. (2001) na fase inicial tem-se uma acomodação que representa oinicio da secagem sendo a taxa de secagem quase zero. Nesta fase o calor fornecido pelasecagem destina-se a elevação gradual da temperatura do produto e da pressão de vaporde água. A segunda fase é caracterizada pela taxa constante de secagem onde háevaporação da água livre. Enquanto há água livre na superfície do produto suficiente, ataxa de secagem e a temperatura do material serão praticamente constantes, havendoapenas um leve decréscimo.

Foi obtido um gráfico teor da umidade livre que presente no molho de tomate versus otempo semelhante ao apresentado na figura 3 (a), o que valida o experimento bem comoos valores obtidos.

00,05

0,10,15

0,20,25

0,3

0,350,4

0,45

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

V e

l o c i

d a

d e

d e e c a ! e m

" #

"

Teor de umidade livre X ($! %2&'$! amo ra eca)

Ta*a de eca!em V Teor de umidade livre


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5. CONCLUSÃO

• Através dos gráficos plotados torna-se possível estimar a umidade de umcomponente, bem como o tempo e a velocidade em que ocorre a perda de suaumidade em uma determinada temperatura.

• É de extrema importância conhecer a velocidade e o tempo necessário paradiminuir a umidade de um produto para que o acondicionamento e estocagemdo mesmo sejam feitos de forma adequada, tendo em vista que trata-se de umprocesso complexo envolvendo transferência simultânea de calor e massarequerendo controle rígidos.

• O experimento foi realizado de forma satisfatória consolidando conceitos efornecendo aprendizado sobre os parâmetros durante o processo de secagem,processo muito utilizado em muitas indústrias em especial na de alimentos.


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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CESCAGE. Operações Unitárias – Módulo 9. 20/06/2013. Disponível

em:. Acesso em: 03/03/2015.

MICHALEWICZ, Jacek Stanislaw. Estudo paramétrico da secagem de placasde gesso: desenvolvimento de um protótipo em escala laboratorial. 2003. 105 f.Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Universidade Federal dePernambuco. Disponível em: Acesso em 23 deFev de 2015.

OLIVEIRA, Vanderley de. Avaliação Energética E Econômica Da Secagem DeGrãos Utilizando Secador De Coluna Com Caldeira Aquatubular. 2014. 84 f.Dissertação (Mestrado em Energia na Agricultura). Universidade Estadual doOeste do Paraná. Disponível em: <http://200.201.88.199/portalpos/media/File/energia_agricultura/Dissertacao_Vanderley_Oliveira.pdf> Acesso em 23 de Fev de 2015.

Park, K. J.; Yado, M. K. M.; Brod, F. P. R. Estudo de secagem de pêra bartlett(pyrussp.) em fatias. Ciência e Tecnologia de Alimentos, v.21, n.3, 2001.

PERRY, R. H. Chemical Engineers' Handbook. 5ªEdição. Mcgraw-Hill, 1999.

Disponível em: . Acesso em 23 de Fev de 2015.

SEADER, J. D.; HENLEY, Ernest J.; ROPER, D. Keith. Separation ProcessPrinciples.3ª Ed. John Wiley & Sons, Inc, 2010 (p 726-776).

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