SECAGEM DE SÓLIDOS
DEFINIÇÃO
Material húmido
(sólido, pasta, sólido em suspensão)
+
CALOR
Sólido “seco” + vapor
OBJECTIVOS
NO MEIO DO PROCESSO
• Preparar o produto para operações seguintes
NO FIM DO PROCESSO
•
•
•
•
Dar ao produto uma forma mais manuseável
Dar ao produto uma massa constante
Conservar o produto
Reduzir os custos de transporte
Não confundir com separações mecânicas: decantação, filtração,
centrifugação etc.
A secagem (térmica) é normalmente a única que consegue
reduzir a humidade de um sólido aos niveis finais desejados
É pois frequentemente a última operação de um processo em
que se pretende um sólido seco.
Define muitas vezes a forma final do produto
As separações mecânicas precedem muitas vezes a secagem porque gastam menos
energia.
A evaporação também consegue ser energeticamente mais eficiente que a secagem,
porque se podem usar evaporadores multi-efeito ou recompressão de vapor.
EQUIPAMENTO DE SECAGEM
O equipamento tem que:
1) Fornecer calor
2) Remover vapor de água
3) Manipular o material (que pode às vezes ir de líquido a
sólido)
1) O fornecimento de calor pode ser por
• Radiação – Luz solar, infravermelhos, microondas
• Condução – contacto do material com superfície quente
• Convecção (aquecimento directo) – Contacto do material
com gás quente
O equipamento tem que:
1) Fornecer calor
2) Remover vapor de água
3) Manipular o material (que pode às vezes ir de líquido a sólido)
2) O vapor de água proveniente da secagem pode ser removido
por:
• A corrente de gasosa que aquece por convecção
• Vácuo (incompatível com aquecimento por convecção)
O equipamento tem que:
1) Fornecer calor
2) Remover vapor de água
3) Manipular o material
(que pode às vezes ir de líquido a sólido)
3) Manipulação do material: O secador tem que:
• receber o material a secar
• promover o seu contacto com ar quente ou com superfícies quentes,
• misturá-lo evitando aquecimentos locais
• descarregá-lo, etc.
• Esta manipulação é muitas vezes o mais difícil na secagem
TIPOS DE SECADORES
Há dezenas de soluções possíveis para cumprir os requisitos
acima mencionados, logo, há dezenas de tipos de secadores.
Secadores descontínuos:
• apropriados para secagem de quantidades relativamente
pequenas.
Secadores de operação em contínuo:
• apropriados para operação em contínuo, logo adequados a
grandes caudais.
SECADOR DE TABULEIROS
http://rpaulsingh.com/animated%20figures/fig12_4.htm
SECADOR DE ATOMIZAÇÃO
Grandes caudais
Alimentação líquida (solução ou suspensão)
Produto  pó
SECADOR DE ATOMIZAÇÃO
SECADOR DE ATOMIZAÇÃO
http://rpaulsingh.com/animations/spraydryer.html
SECADOR DE TELA
SECADOR DE TRANSPORTE PNEUMÁTICO
 Grandes caudais
 Alimentação sólida
 Granulometria (~ mm)
SECADOR DE LEITO FLUIDIZADO
 Grandes caudais
 Alimentação sólida
 Granulometria (~ mm  ~cm)
http://www.niro.dk/niro/cmsdoc.nsf/WebDoc/ndkk5hvecqCONTACTFLUIDIZERF
SECADOR ROTATIVO
SECADOR ROTATIVO
•
• ~
•
•
Grandes caudais
Elevado tempo de residência
Granulometria grossa ( ~ cm)
SECADOR DE TAMBOR
 Alimentação líquida
SECADOR BICÓNICO
Batch
 Alimentação sólida
Granulometria (muito flexível)
Aquecimento indirecto
(aparte) EXEMPLOS DE TRANSPORTADORES DE SÓLIDOS
Transportadores de parafuso
http://www.youtube.com/watch?v=_OZv2kf_SCs
Transportadores de correia
Transportadores de alcatruzes (para transporte vertical)
Transporte pneumático
Outros
Alimentadores ao transporte pneumático – os mais comuns são as válvulas
rotativas e os venturis:
As válvulas rotativas podem ser doseadoras: o caudal de descarga/alimentação
depende da velocidade de rotação
http://www.youtube.com/watch?v=-buKu3-Ar7I  A partir dos 2 min
ESCOLHA DO TIPO DE SECADOR
 A escolha do secador depende em grande
medida da forma da alimentação
 Líquidos (soluções ou suspensões de sólidos)
podem ser alimentados a:
 Secadores de tambor
 Secadores com agitação mecânica
 Secadores de atomização (“spray”)
ESCOLHA DO TIPO DE SECADOR
 Pastas podem ser alimentados a:
 Secadores de tabuleiro
 Secadores de tela
 Secadores de tambor
 Secadores com agitação mecânica
 Secadores de atomização (“spray”)
 Talvez a ... secadores de leito fluidizado
(depende da pasta)
ESCOLHA DO TIPO DE SECADOR
• Sólidos húmidos podem ser alimentados a:
 Secadores de tabuleiro
 Secadores de tela
 Secadores com agitação mecânica
 Secadores bicónicos
 Secadores rotativos (diam. partícula ~ cm)
 Secadores de leito fluidizado (diam. partícula: ~ mm  ~ cm)
 Secadores de transporte pneumático (diam. partícula: ~ mm)
A FORMA DA ALIMENTAÇÃO PODE SER MODIFICADA
SÓLIDO FIBROSO
MOAGEM
SÓLIDO GRANULAR
MOAGEM
GRANULAÇÃO
PASTA DURA
COMPRESSÃO
p/ ex, EXTRUDIR
PASTA
EVAPORAÇÃO, CENTRIFUGAÇÃO,
FILTRAÇÃO, OU OUTRA
SUSPENSÃO DE SÓLIDOS
EVAPORAÇÃO
LÍQUIDO
PASTA
+ FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR
pequena capacidade ==> batch
grande capacidade ==> contínuo
Escala -
Rotativo
maiores capacidades …................
Leito fluidizado
Transporte pneumático
Spray
+ FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR
secagem sob vácuo
à temperatura
secador em co-corrente
boa mistura p/evitar aquecimentos locais
Produto sensível -
secagem sob vácuo
à oxidação
secagem em atmosfera inerte (gás de
combustão, p/ex
secador de tabuleiros
ao manuseamento secador de tela
outros
+ FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR
secagem sob vácuo
Produto perigoso
Fogo e explosões
-
secagem em atmosfera inerte
agitar pouco o produto
evitar granulometria fina
Toxicidade => secagem sob vácuo e condensação evita
efluentes gasosos
+ FACTORES NA ESCOLHA DO SECADOR
 É necessária muita experiência para projectar
um secador.
 A teoria de secagem tem normalmente um
papel limitado:
 Convém fazer experiências a uma escala tão
próxima quanto possível da desejada.
DEFINIÇÕES
GÁS (normalmente ar)
• Humidade absoluta do ar (s) = kg água/kg ar seco
• Humidade de saturação – humidade acima da qual há condensação
• Humidade relativa – humidade absoluta/humidade de saturação
• Entalpia específica
• Temperatura de saturação adiabática (h) – temperatura que se
atinge deixando o gás quente e o sólido entrarem em equilíbrio
(sem que haja outras fontes de calor)

Temperatura de termómetro húmido – temperatura que se obtem
embebendo um termómetro num algodão ou pano molhado, e
agitando).
• Humidade de saturação à temperatura de termóm. húmido (sh)
DEFINIÇÕES
SÓLIDO
• Humidade do sólido (X) = kg água/kg sólido seco
• Humidade de equilíbrio (XE) – é a humidade com que fica o sólido
ao fim de infinito tempo de secagem.
• Corresponde a um equilíbrio termodinâmico entre o sólido e o gás
às condições de secagem.
• É função da temperatura e humidade do gás.
• Humidade livre (f = X – XE) – é a humidade passível de ser
eliminada por secagem em determinadas condições.
• Humidade crítica (XC) – é humidade acima da qual a velocidade de
secagem é constante em determinadas condições de secagem.
CARTA PSICROMÉTRICA
BALANÇO DE MASSA A UM SECADOR
• BALANÇO À ÁGUA
Secagem em modo descontínuo
M . X 0  G  s0  t  M . X f  G  s f  t
• Secagem em modo contínuo
M . X 0  G  s0  M . X f  G  s f
________________________________________________________________________________________
•
•
Massa de sólido húmido = M + MX = M (1+X)
Caudal de gás húmido = G (1+s)
BALANÇO ENTÁLPICO A UM SECADOR
Secagem em modo contínuo (aquecimento por convecção)
M .C PSol (T0  Tref )  M . X 0 C PH 2O (T0  Tref )  G  H 0Tref  Q 
 M .C PSol (T f  Tref )  M . X f C PH 2O (T f  Tref )  G  H Tref
f
G  H 0Tref  Q  G  H Tref
f
E
se Q  0 (saturaçãoadiabáticado gás)
 H 0Tref  H Tref
f
Num problema de dimensionamento de 1 secador em contínuo de
aquecimento por convecção, conhecem-se normalmente à partida
 Caudal de sólido a secar
 Humidades de entrada e saída.
 Qualidade do ar de entrada (definida por 2 variáveis)
Pretendem conhecer-se, em 1º lugar
 O caudal de ar e as suas propriedades à saída.
Uma equação a usar é, o balanço à água:
M . X 0  G  s0  M . X f  G  s f
As incógnitas, contudo, são duas: G e sf.
A outra relação deveria ser uma optimização económica, mas nem sempre
se faz.
À falta de tempo para a optimização, e se não houver outra indicação, é
razoável usar-se uma temperatura de saída do gás ~ 10ºC acima da temp.
de saturação adiabática.
PROBLEMA 1
Um caudal de 20 kg/hora de uma suspensão com 10% de sólidos (%
sólidos na suspensão) é seca por atomização (spray drying) para
obter um pó com com uma humidade final, Xf = 0,05. Utiliza-se ar a
106ºC com uma humidade s0 = 0,008. A suspensão entra a 20ºC.
Calcule:
a) A humidade do sólido à entrada.
b) Todas as propriedades do ar.
c) As condições do ar após saturação adiabática.
d) A temperatura de saída do ar se se usar um caudal de entrada de
0,56 m3/s.
e) O caudal de ar quente necessário se se quiser que o ar saia com
uma temperatura 10ºC acima da temperatura de saturação
adiabática.
f) O caudal mínimo (termodinâmico) de ar que se poderia usar.
PROBLEMA 1 (resolução)

(a) M
H 2O  20 0,9  18 kg / h
M  20 0,1  2 kg / h
X 
M H 2O
9
M

OBS: humidade pode ser > 1...
(b) 0 = 106ºC & s0 = 0,008 & carta psicrométrica  outras propriedades do ar.
(c) seguir linha de saturação adiabática até à saturação  h = 36ºC & sh = 0,038
(d)
G   ar QV arhúmido /(1  s0 )  0,56 m3 / s 1,12 kg / m3 /(1  0,008)  0,62 kg / s
 2240kg ar sec o / h
2  9  2240 0,008 2  0,05 2240 s f
sf = 0,016
OBS: o gás ganhou pouca humidade o que significa que o caudal é excessivo.
Para além disso, o gás sai a 85ºC (verificar na carta psicrométrica!) o que
representa um enorme desperdício de energia.
PROBLEMA 1 (resolução)
(e)  f   h  10  46º C
&
linha sat. adiab.
sf = 0,034
2 x 9 + G x 0,008 = 2 x 0,05 + G x 0, 034
G = 688 kg/h = 0,19 kg/s = 0,18 m3/s
(f)
G mínimo corresponde a
sf = sh
G =0,17 kg/s de ar seco.
• Corresponde a anular a força motriz para a transferência de massa
numa zona do secador e portanto a um secador infinitamente
grande.
CURVA DE SECAGEM
Velocidade de secagem, r (kg água/(kg sólido seco.h))
r
dX
dt
A curva de secagem expressa a velocidade de secagem em função da
humidade do sólido (para condições de secagem bem definidas).
Quando as condições se alteram (temperatura, por exemplo), a curva de
secagem altera-se.
 A curva de secagem pode ser obtida:
(i) a partir da determinação da massa de sólido húmido ao longo da
secagem (donde se pode tirar a humidade do sólido em função do tempo).
(ii) a partir de monitorização da humidade do gás à saída (seguida de
balanço à água) para cada instante de tempo.
CURVA DE SECAGEM
Velocidade de secagem, r (kg água/(kg sólido seco.h))
r
dX
dt
curva de secagem
XC
r=dX/dt (g água/g sólido seco/min)
XE
0.025
0.020
0.015
curva de secagem
0.010
0.005
0.000
0
0.5
1
X (g água/g sólido seco)
1.5
PROBLEMA 2
Determine a curva de secagem correspondente aos dados abaixo, indicando
a humidade crítica.
Sabe-se que a humidade de equilíbrio é de 4%.
O ar de secagem entra com 98ºC e 3% de humidade relativa e sai com 50ºC.
Tempo (min)
0
Massa total
da amostra (g) 56
10
20
30
40
60
90 120 240 um dia
51
46
41
37
33
29
28
27
27
TEMPO DE SECAGEM (batch)
dX
r( X )  
dt
t SEC 
X0

Xf
dX
r( X )
tSEC = tCONST + tDECR
t CONST
X0  XC

rCONST
&
dX
1  a  b  X ´C
 
 ln
b  a  b  X f
Xf a  bX
XC
t DECR




PROBLEMA 4
Calcule o tempo de secagem do sólido desde X = 0,9 até X = 0,1,
nas condições de secagem da curva de secagem dada.
curva de secagem
rconst = 0,020 kg/kg.min  t const 
0,9  0,7
 10 min
0,02
Período de velocidade de secagem decrescente
r = 0,03 X –
tdecresc
1.2x10-4
 0,03 0,7  1,2 104 
1
  75 min

ln
4 
0,03  0,03 0,1  1,2 10 
tSEC = tCONST + tDECR = 10 + 75 = 85 min
r=dX/dt (g água/g sólido seco/min)
Período de velocidade de secagem constante
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
0
0.5
1
X (g água/g sólido seco)
1.5
CURVA DE SECAGEM (alteração de condições)
I): I - Aquecimento directo
r  K ( G   h )
K é uma “constante” que depende da granulometria e porosidade e disposição
do sólido, do tipo de contacto gás-sólido, da velocidade do gás, etc.
Mas não depende das condições termodinâmicas do gás (temperatura,
humidade, entalpia)
  ( 0   f ) / 2
h - temperatura de termómetro húmido
“Rigorosamente” a equação só é válida para o período de velocidade de
secagem constante
PROBLEMA 3
Corrija a curva de secagem (obtida para um ar de secagem a
entrar a 98ºC com HR= 3% e sai a 50 ºC)
para uma situação em que o ar de secagem entra com 80ºC e
com a mesma humidade absoluta do ar da experiência, e sai
a 50ºC
r=dX/dt (g água/g sólido seco/min)
curva de secagem
0.025
0.020
0.015
curva de secagem
0.010
0.005
0.000
0
0.5
1
X (g água/g sólido seco)
1.5
PROBLEMA 3
Situação inicial (curva experimental existente)
0 = 98ºC & %HR = 3% & carta psicrométrica  s0 =0,018  h = 38ºC
Situação nova (curva para novas condições)
0 = 80ºC & s0 =0,018 & carta psicrométrica  h = 35ºC
Nova velocidade de secagem no período de secagem constante:
rnovo  rinicial
•
(65  35)
 0,017 kg / kg min
(74  38)
À falta de outra informação mantêm-se XC = 0,7 & XE = 0,03. A curva de
secagem fica com o seguinte aspecto
PROBLEMA 3
r=dX/dt (g água/g sólido seco/min)
0.025
0.020
curva de secagem
0.015
nova curva
0.010
nova curva
Linear (nova curva)
0.005
Linear (nova curva)
0.000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
-0.005
X (g água/g sólido seco)
1
1.2
CURVA DE SECAGEM (alteração de condições)
I): II - Secagem por condução sob vácuo
r  K ' ( SUP   SEC )
SUP é a temperatura da superfície de aquecimento
SEC é a temperatura de secagem que está relacionada com o
ponto de ebulição da água à pressão de trabalho.
A espressão acima é muito grosseira.
É muito grosseiramente válida para liofilização (que é
uma secagem por condução sob vácuo).