Secagem Convectiva Continua - Principios e Aspectos Comuns

Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG 2 Secagem Convectiva Contínua A secagem convectiva contínua consiste no contato de um material úmido com um escoamento gasoso relativamente quente O calor requerido para a remoção da umidade é fornecido pelo resfriamento do gás ao entrar em contato com o material sólido O gás é também utilizado como meio transportador da umidade removida do sólido Os secadores convectivos podem ser divididos em três classes 1 secadores nos quais todo o produto é entranhado por uma corrente de gás ex flash spraydryer 2 secadores nos quais parte do produto é entranhada pelo gás que escoa ex leito fluidizado rotativo direto e 3 secadores nos quais uma pequena porém não desprezível parte do produto é entranhada pelo gás ex esteira bandejas 21 Aspectos comuns entre os secadores 211 Modos de escoamento Os modos de escoamento comumente empregados em secadores convectivos contínuos são 1 contracorrente 2 concorrente ou paralelo 3 uma mistura de contracorrente e paralelo e 4 fluxo cruzado O escoamento contracorrente expõe o material seco à máxima temperatura do gás de secagem Este modo de escoamento proporciona um teor de umidade final bastante baixo criando entretanto o risco de superaquecimento do material processado O escoamento paralelo expõe a alimentação à temperatura máxima do ar de secagem conduzindo a uma taxa de secagem inicialmente elevada A rápida taxa inicial de secagem ocorre basicamente à temperatura de saturação adiabática Entretanto uma remoção de umidade muito rápida pode danificar o produto geração de tensões hidrotérmicas no material sólido Os secadores rotativos podem acomodar os modos de escoamento contra corrente paralelo e misto O modo de escoamento não exerce forte influência na eficiência de operação uma vez que a maior parte da secagem ocorre quando o sólido está à temperatura adiabática de saturação 212 Temperaturas de entrada e de saída do ar A temperatura de entrada do ar em secadores convectivos pode variar entre 100 e 800oC ao passo que a temperatura de saída do ar varia somente entre 50 e 150oC De forma genérica a temperatura de saída de qualquer secador convectivo contínuo é em torno de 100oC Baixas temperaturas de gás de secagem 200 oC são usadas na secagem de produtos químicos orgânicos que são sensíveis à temperatura Relativamente Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG baixas temperaturas de gás de secagem 300 oC são também utilizadas na secagem de cristais inorgânicos de alta granulometria contendo um teor de umidade inicial de 1 a 5 Se temperaturas de gás de secagem mais elevadas são utilizadas o aquecimento do escoamento de sólido seco consome energia de forma excessiva Uma forma simplificada de avaliar a eficiência do processo de secagem considerando as temperaturas de entrada e saída do gás de secagem é dada por aq ae as ae T T T T η 8 em que Tae é a temperatura de entrada do ar Tas é a temperatura de saída do ar e Taq é a temperatura de entrada de ar no queimador Entretanto a razão só pode ser comparada para valores diferentes de temperaturas quando o calor absorvido pelos sólidos pode ser desprezado A temperatura de saída do sólido será menor que a temperatura de saída do ar para escoamento paralelo 213 Velocidade do ar de secagem A velocidade do ar de secagem em secadores rotativos é selecionada considerando o possível entranhamento de sólidos ou seja o gás não deve transportar as partículas consigo Valores típicos de velocidade de gás se encontram na faixa entre 05 e 25 ms 214 Método de aquecimento O método de aquecimento pode ser direto ou indireto O aquecimento direto envolve a combustão de um óleo ou gás e a passagem dos gases de combustão dentro do secador A composição do ar é afetada minimamente pelos produtos de combustão devido a enorme massa de ar que escoa no secador A temperatura do gás de secagem pode atingir 1000 oC O aquecimento indireto pode ser efetuado por meio de vapor ou óleo térmico O aquecimento com vapor não é normalmente utilizado quando se deseja temperaturas acima de 200 oC devido a alta pressão de vapor requerida para produzir altas temperaturas de condensação de vapor Um trocador de calor a óleo é recomendado para se alcançar temperaturas de 300 oC com óleo sendo aquecido indiretamente por uma chama ou por eletricidade A utilização de um trocador de calor a óleo é inerentemente mais segura que o uso de aquecimento direto 215 Tempo de residência Secadores rotativos normalmente apresentam tempos de residência entre 15 minutos e 1 hora Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG 216 Perdas de calor Duas categorias de perda de calor podem ser distinguidas a perdas durante operação em regime permanente normal e b perdas adicionais que podem ser observadas em longos períodos de tempo As causas de perda durante operação em regime permanente são a condução b convecção c radiação e d ingresso de ar resfriando o ar de secagem ou alternativamente a perda de ar de secagem a alta temperatura Os fatores influenciando estas perdas são 1 presença ou não de isolamento efetivo no secador 2 se o material sendo seco é um produto há uma tendência de se prestar mais atenção ao sistema de secagem do que ao fato de possivelmente haver um subproduto ou outro material sendo seco 3 um secador maior é mais importante e tende a receber mais atenção do que um secador de menor porte 4 um secador menor oferece por m3 de volume de secador mais m2 de área para perdas de calor por convecção e radiação 5 a pressão no secador Secadores convectivos normalmente trabalham com baixas diferenças de pressão 50 a 10 Nm2 Uma sobrepressão leva a emissões não controláveis e que podem por sua vez levar à formação de incrustações na entrada do secador Por outro lado diferenças de pressão muito baixas levam ao ingresso de ar resfriador e 6 a construção do secador Um secador aberto pode conduzir a perdas de calor ao passo que um secador fechado tende a minimizar as perdas de calor Surpreendentemente as perdas de calor em regime permanente são dificilmente influenciadas pela temperatura do gás de secagem uma vez que independentemente do valor da temperatura de entrada do ar de secagem o processo de secagem sempre ocorre a temperaturas de 10050 oC As perdas de calor em regime permanente para secadores rotativos com carregamento normal giram em torno de 20 a 30 do ganho de entalpia da alimentação As perdas de calor adicionais são causadas por procedimentos de startup do secador com o calor sendo utilizado para aquecer o metal e de desligamento do secador resfriamento gradual subsequente e por procedimentos de limpeza do secador e de evaporação da água residual no equipamento e no sistema de controle A experiência demonstrou que em geral o teor de umidade final desejado pode ser mantido constante mantendose uma temperatura de saída do gás constante Muitos secadores reduzem automaticamente a temperatura do ar de secagem de forma a manter um valor prescrito de temperatura de saída na condição da vazão de sólidos na alimentação diminuir A eficiência do processo de secagem expressa em Nm3 de gás natural por tonelada métrica de produto decresce O efeito não é fortemente dependente da temperatura de entrada do ar De acordo com a equação que define eficiência de secagem mantendose constantes as temperaturas de saída do gás de secagem e de entrada de ar no queimador há um decréscimo de eficiência ao se abaixar a temperatura de Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG entrada do ar O procedimento correto para controle seria manter a temperatura de entrada do ar constante regulandose a vazão do ar de secagem 217 Consumo de energia elétrica Podese dividir o consumo de energia elétrica em três categorias potência i do ventilador ii motora e iii de pequenos acessórios 2171 Potência do ventilador O ar e a água evaporada passando através do sistema secador sofrem quedas de pressão As quedas de pressão estão localizadas principalmente no a sistema de preparação de ar b secador e c sistema de limpeza de ar de exaustão O sistema de preparação de ar contém um aquecedor direto ou indireto Como o ar escoa sobre tubos aletados em um aquecedor indireto a queda de pressão é praticamente desprezível Entretanto o mesmo não acontece em sistemas com aquecedores diretos A queda de pressão do ar ao passar através de um aquecedor direto geralmente a gás é de um máximo de 500 Nm2 quando o gás admitido via um aspersor queima no escoamento de ar total Este tipo de queimador pode ser utilizado para fornecer temperaturas de até 500oC Se temperaturas mais elevadas são requeridas uma câmara de combustão é utilizada na qual o gás ou óleo é queimado com um excesso de ar de 10 a 20 com relação a estequiometria da reação de combustão A queda de pressão para este escoamento de ar é entre 2500 e 5000 Nm2 Câmaras de combustão de grande porte 5000 kW exibem altas quedas de pressão e câmaras de menor porte apresentam baixas quedas de pressão Ar secundário é admitido com o gás para obter a temperatura desejada para o ar de secagem e a queda de pressão para tal escoamento é em torno de 1500 Nm2 A queda de pressão através do sistema de secagem é fortemente dependente do tipo de secador e pode ser considerada desprezível para um secador rotativo que para tal efeito consiste de um tubo vazio com cortinas de sólidos em queda Um sistema típico de limpeza de ar de exaustão pode conter um ou mais dos seguintes equipamentos ciclone filtro e um lavador de gases scrubber Figura 34 Um ciclone coleta partículas maiores que 5 a 10 µm e a queda de pressão associada é de 1000 a 2000 Nm2 Um filtro de poeira coleta partículas mais finas até 001 µm O equipamento é maior do que um ciclone e necessita de velocidades de ar normais à área filtrante de 1 a 3 mmin A queda de pressão pode chegar a 2000 Nm2 Um lavador de gases a úmido pode ser relativamente simples com uma queda de pressão que é para efeitos práticos desprezível Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG a b c Figura 34 Sistemas típicos de limpeza de ar de exaustão a ciclone b filtro manga e c lavador de gases Os ventiladores para secadores rotativos podem estar localizados no sistema de preparação de ar no sistema de limpeza de ar Figura 35 ou em ambos os sistemas Figura 36 Figura 35 Sistema constituído de secador rotativo com ventilador no sistema de limpeza de ar Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG Figura 36 Sistema constituído de secador rotativo com ventilador no sistema de preparação e de limpeza de ar A potência do ventilador pode ser calculada por kW 1000 3600 p G P v vent η 9 em que η0608509504845 geralmente arredondado para 05 06 é a eficiência do ventilador 085 é a eficiência do motor e 095 considera outras possíveis perdas GV é a vazão volumétrica de ar m3h e p é a queda de pressão total no sistema p está em Nm2 2172 Potência motora Para secadores rotativos girando a velocidades periféricas na faixa de 025 a 05 ms a potência motora é dada por kW 4 D L 30 P 2 mot π 10 em que D e L são o diâmetro e o comprimento do tambor rotativo respectivamente Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG 2173 Potência de pequenos acessórios A potência para pequenos acessórios tais como correias ou esteiras vibratórias e bombas de óleo gira em torno de 1 e 10 kW 3 Secadores Rotativos 31 Características genéricas O secador rotativo constitui uma das formas de secadores contínuos mais amplamente utilizadas É de projeto e operação simples e é razoavelmente versátil sendo portanto adequado para a secagem rápida de uma ampla variedade de materiais e a um baixo custo unitário quando as quantidades processadas são grandes Secadores rotativos podem ser projetados para proporcionar tempos de secagem variando entre 5 e 60 minutos e capacidades de processamento que variam de poucas centenas de quilos a duzentas toneladas por hora O principal uso deste secador na indústria química é para a secagem de sais fertilizantes tais como sulfato de amônio e sais de nitrato fosfato e potássio Secadores rotativos são idealmente adequados para a secagem de produtos granulares de escoamento livre que requerem tempos moderados de secagem Secadores rotativos são adequados para a secagem de materiais termossensíveis desde que a restrição de baixas temperaturas de secagem não resulte em um tempo de secagem excessivamente longo Entretanto os secadores rotativos não são adequados para as seguintes aplicações lamas e materiais significativamente grudentos e materiais de secagem lenta que requerem tempos de secagem mais longos que uma hora Além disso há limitações em lidar com materiais friáveis poeirentos e leves que podem ser facilmente carreados pela corrente de ar Os secadores rotativos podem ser divididos em três categorias 1 secadores rotativos diretos com cascateamento de partículas 2 secadores rotativos diretos com venezianas e 3 secadores rotativos indiretos Figura 31 Categorias comercialmente disponíveis para secadores rotativos Devido às inúmeras aplicações uma grande variedade de configurações de secadores foi desenvolvida Entretanto a categoria mais comumente utilizada é de secadores rotativos diretos Figura 32 Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG Figura 32 Secador rotativo direto corte Para secadores rotativos diretos o tambor rotativo pode consistir de arranjos de passo único ou de passos múltiplos operar em escoamento de gás e sólidos concorrente ou contracorrente ser aquecido interna ou externamente e apresentar várias configurações internas de aletas suspensórias Em qualquer das combinações supracitadas os princípios de operação são os mesmos As partículas que entram no tambor rotativo são continuamente cascateadas através de uma corrente de gás que escoa axialmente As partículas retidas pelas aletas suspensórias giram com o tambor Com o escoamento concorrente uma partícula de uma aleta é movida ao longo do comprimento do tambor como resultado de uma força de arraste exercida pelo escoamento de gás Com o escoamento contracorrente o regime de escoamento dos sólidos na seção transversal e a inclinação do cilindro trabalham no sentido oposto ao escoamento de gás para mover as partículas através do secador A secagem ocorre principalmente por transferência convectiva de calor e massa O desempenho do secador rotativo é significativamente influenciado pela taxa de transferência de calor do gás para as partículas e pelo tempo de residência das partículas no secador As características de secagem dos sólidos geralmente irão determinar o tempo de retenção requerido no secador Portanto uma análise de transferência de calor e massa e dos fatores que afetam o tempo de retenção é de extrema relevância para o projeto de secadores rotativos Para um secador rotativo são onze as variáveis independentes de interesse 1 características físicas do material 2 vazão da matéria sólida 3 temperatura do sólido 4 vazão do gás de secagem 5 temperatura do gás de secagem 6 diâmetro do tambor 7 comprimento do cilindro 8 inclinação do tambor 9 velocidade de rotação do tambor 10 capacidade das aletas e 11 número de aletas do secador Todas estas variáveis afetam a transferência de calor no secador e todas exceto as temperaturas do gás e do sólido afetam o tempo de residência e o holdup do secador Para que se possa fazer uma análise de desempenho de secagem de sólidos em secadores rotativos e também desenvolver relações matemáticas em diferentes níveis de complexidade que permitam o dimensionamento de tais equipamentos é necessário que se tenha um conhecimento aprofundado dos mecanismos de transferência de calor e massa e dos mecanismos de transporte de sólidos e escoamento de gases no interior do secador Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG 32 Mecanismo de transporte de sólidos O escoamento de partículas em secadores rotativos pode ser dividido em duas fases i a fase aérea e ii a fase densa A fase aérea consiste das partículas que caem das aletas suspensórias e que são deslocadas axialmente devido a força de arraste do escoamento de gás e também devido a inclinação do tambor Figura 33 A fase densa consiste das partículas que são suspensas pelas aletas ou que compõem o leito de sobrecarga no fundo do tambor O deslocamento axial das partículas na fase densa é por salteamento rolamento e deslizamento devido à inclinação do tambor ou ao leito de sobrecarga As partículas são livremente intercambiáveis entre as duas fases O holdup total em qualquer posição axial é a soma do holdup de cada fase Figura 33 Mecanismos de transporte de sólidos em secadores rotativos diretos Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG 33 Mecanismos de transferência de calor Os principais mecanismos controladores de transferência de calor em um secador rotativo são i a taxa de cascateamento do material sólido nas aletas suspensórias e ii a razão de entranhamento de ar e matéria sólida nas cascatas Efeitos significativos de área superficial de partículas na transferência de calor podem no geral ser desprezados Entretanto para partículas muito finas ou muito grosseiras pequenos efeitos devido a área superficial foram observados Considerase que o escoamento axial de ar está confinado principalmente nos espaços entre as partículas nas cascatas O ar é entranhado no material que cai e sua massa é pequena comparada com a de material sólido Portanto o mesmo atinge rapidamente a temperatura de equilíbrio com a superfície do material sólido Isto faz com que as maiores taxas de transferência de calor ocorram na parte superior das cascatas levando a uma diferença de temperatura de ar na seção transversal do secador Em função de o tempo de exposição em cada cascata ser curto o ar atinge a temperatura de equilíbrio somente com a superfície do material sólido permitindo que haja uma diferença de temperatura média entre ambos em todo o secador Podese considerar que não há transferência de calor entre o gás e as partículas no período em que as mesmas estão sendo suspensas pelas aletas sem serem descarregadas Neste período a transferência de calor se dá internamente em cada partícula no sentido de uniformizar o perfil de temperatura da mesma Considerando a análise prévia os principais fatores determinantes da magnitude da taxa de transferência de calor são i a taxa de material em cascata que é função do tamanho e do número de aletas do holdup e da velocidade de rotação do secador e ii a razão de entranhamento de ar e sólidos que é função principalmente do tamanho das aletas com possíveis efeitos secundários da velocidade de rotação do secador e de serrações nas extremidades das aletas Efeitos de outros fatores por exemplo granulometria do material velocidade do ar distanciamento das aletas e outras aparentam serem insignificantes exceto em casos de condições extremas dos mesmos Casos alternativos de operação de secadores rotativos para os quais estes mecanismos de transferência de calor não se aplicam são i condições de operação para as quais a distribuição do material sólido no secador é suficiente para obliterar os vazios completamente forçando o ar a escoar entre o material suspenso e levando a coeficientes de transferência de calor relativamente altos e ii operação com material pegajoso ou agregado em que não há a formação de cascatas bem definidas resultando em uma capacidade de transferência de calor excessivamente reduzida 34 Escoamento de gás Para efeito de projeto o escoamento do gás no interior do secador é geralmente comparado ao de um escoamento de gás em dutos circulares levandose em conta um fator que representa a redução da área de seção Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG transversal livre para escoamento devido à presença de aletas suspensórias carregadas O escoamento do ar em secadores rotativos é na realidade um escoamento em sistemas particulados em que o gás escoa por entre as partículas que são descarregadas das aletas em sentido cruzado 35 Relações de projeto Os secadores rotativos podem ser divididos em três tipos i secador rotativo de aquecimento direto no qual uma alimentação contínua de material particulado úmido é seca ao entrar em contato com o ar aquecido enquanto é transportado no interior de um tambor rotativo com o casco girando agindo como um mecanismo de transporte e como um misturador ii secador rotativo de aquecimento indireto no qual o calor é transferido indiretamente como no caso de um secador com tubos de vapor e iii secador rotativo de aquecimento direto indireto considerado um híbrido no qual o calor é transferido primeiramente de forma indireta por condução e radiação e em seguida de forma direta A construção do último é mais complexa que a do secador de aquecimento direto porém as perdas de calor para o meio ao redor são minimizadas devido ao casco não entrar em contato direto com o escoamento de gás que está mais quente Os secadores rotativos de aquecimento direto são universalmente aplicáveis para materiais particulados Entretanto os mesmos não podem em geral processar soluções lamas e pastas As funções de transporte e de secagem são independentes da carga em uma ampla faixa de variações desta O secador necessita de pouca atenção operação com incrustações sendo evitadas pelo uso de batedores opcional Consequentemente os secadores rotativos de aquecimento direto são adequados para aplicações em que um mínimo de supervisão é requerido Entretanto secadores rotativos são mecanicamente complexos com as engrenagens motoras os selos os mecanismos de alimentação e de descarga necessitando de atenção especial Os custos de manutenção por ano podem atingir até 10 dos custos de investimento Este valor é de aproximadamente 5 para outros tipos de secadores convectivos A seleção da velocidade do ar é muito importante Um guia padrão é de selecionar valores de velocidade de ar que irão promover um arraste de sólidos de no máximo 5 a 10 por peso de sólido seco Provavelmente 90 de todos os secadores rotativos operam com velocidades de gás abaixo de 2 ms O tamanho de partícula mínimo usado em secadores rotativos é de aproximadamente 100 µm O holdup em secadores rotativos é em geral significativo comparado a outros secadores convectivos com tempos de residência variando entre alguns minutos e uma hora Estes fatores têm implicações importantes para a segurança do processo Primeiro a decomposição térmica do material sendo processado pode ter sérias consequências devido à grande massa de sólido no equipamento Outro problema está associado com a evaporação de solventes Se há um vazamento de ar para o interior do secador pode resultar em formação de uma mistura explosiva ao passo que um vazamento reverso pode conduzir à formação de chamas Tanto os secadores de aquecimento direto com escoamento paralelo quanto o com escoamento contracorrente são equipados com aletas no interior do Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG casco para suspender e descarregar as partículas sólidas através de uma corrente de gás que escoa axialmente Estas aletas suspensórias são distanciadas umas das outras de aproximadamente 06 a 2 m de forma a garantir cortinas de sólidos contínuas e uniformes na câmara de gás A forma das aletas é selecionada com base nas características de transporte e manuseio dos sólidos Para evitar entranhamento as aletas são retiradas na seção de descarga do tambor em secagem com escoamento paralelo As faixas para as variáveis de projeto e operação comumente encontradas associadas exclusivamente ao tambor rotativo são descritas a seguir Diâmetro Os diâmetros de secadores rotativos industriais se encontram em uma faixa fixa entre 1 e 5 metros Qualquer equipamento excedendo o limite superior desta faixa pode criar dificuldades de transporte do mesmo A construção in loco pode ser uma alternativa efetiva neste caso Comprimento Geralmente o comprimento de um secador rotativo de aquecimento direto é de 5 a 8 vezes o diâmetro do mesmo Inclinação A inclinação do tambor da alimentação para a descarga encontrase geralmente entre 0o e 5º Entretanto inclinações positivas também ocorrem no caso de secagem de materiais relativamente leves em escoamento paralelo Velocidade periférica Valores de velocidades periféricas entre 01 e 05 ms são encontrados com velocidades de 035 a 040 ms sendo as mais comuns Número de aletas O número de aletas pelo comprimento da circunferência do tambor é de 06D a D com o diâmetro em metros Profundidade da aleta As profundidades de aleta se encontram na faixa entre D12 e D8 Em secadores rotativos a separação de poeira é efetuada por ciclones sendo estes últimos eventualmente acoplados a um filtro ou lavador de gás Testes experimentais em secadores rotativos de aquecimento direto em pequenas escalas irão determinar a as temperaturas de entrada e saída do gás b os teores de umidade da alimentação e do produto seco c a velocidade Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG superficial de gás permissível e d o tempo de residência requerido O diâmetro do secador em pequenas escalas não pode ser menor do que 05 m 352 Metodologias de projeto de secadores rotativos Nesta seção métodos de projeto aproximados serão discutidos não necessitando de dados experimentais Entretanto a disponibilidade de dados experimentais irá gerar projetos mais confiáveis O primeiro passo da metodologia consiste em efetuar o balanço de massa para o produto A temperatura de saída do gás de secagem deve ser conhecida para calcular o calor transferido ao escoamento de produto Qtot A relação proposta entre a temperatura de entrada do ar de secagem Tain e a temperatura do gás de exaustão Taout é 64 5 0 05T T ain aout 11 A relação 11 foi obtida através de uma análise estatística de dados coletados em operações de secadores industriais A relação é válida tanto para escoamento paralelo quanto para contracorrente A relação obtida da análise estatística era Taout 00495Tain 6376 com um coeficiente de correlação de 0916 Ambas as constantes foram aumentadas de forma se Ter uma margem de segurança Uma outra abordagem seria a proposta por Perry et al 1984 em que a temperatura de saída do gás é estimada por m aout ain t T T T N 12 em que Nt é o número de unidades de transferência Evidências empíricas indicam que os secadores rotativos de aquecimento direto são operados de forma mais econômica quando Nt se encontra na faixa entre 15 e 25 Tm é a diferença média verdadeira de temperatura Quando uma quantidade apreciável de umidade superficial é removida dos sólidos e as temperaturas dos sólidos são desconhecidas uma boa aproximação para Tm é a diferença média logarítmica entre as depressões de bulbo úmido do ar de secagem na entrada e na saída do secador Um exemplo mostrando as diferenças ao se aplicar os dois métodos de estimativa de Taout é apresentado a seguir Exemplo 1 Estimativa da temperatura de saída do gás de secagem para as seguintes condições Tain 300oC Temperatura do ar ambiente é 10oC Umidade relativa do ar é 60 Modo de aquecimento é direto por gases de combustão Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG Método 1 Taout 005300 645 795oC Método 2 para uma mistura de gases de combustão e ar atmosférico em que a quantidade de ar é muito superior à dos gases de combustão a temperatura de 300 oC o gás de secagem terá um teor de 0025 kg vaporkg ar seco A temperatura de bulbo úmido saturação adiabática correspondente é 54 oC Para tais condições Nt 15 20 25 Taout 1089 873 742 Pressupõese que a temperatura de saída do produto é igual a temperatura de saída do gás de secagem Taout que é correto para operação com escoamento paralelo mas pode não ser necessariamente correto para operação em contracorrente Entretanto o efeito na variação de entalpia total dos componentes das correntes de processamento Qtot é limitado Qtot é multiplicado por 125 de forma a considerar perdas de calor em regime permanente de operação Este fato foi avaliado a partir de valores medidos e reportados na literatura Williams Gardner 1971 Entretanto os dados de literatura e medições em unidades industriais relativos a secadores industriais de grande porte 3 a 5 metros de diâmetro indicam um valor de 11 para perdas provavelmente devido a maior atenção que se dá para equipamentos de tal porte Além disso a área de perda por unidade de volume do tambor é relativamente menor para secadores maiores Por outro lado dados de desempenho para secadores de porte diâmetros de 06 a 1 metro apontam para um valor de perdas de 14 A vazão de ar de secagem pode ser calculada sabendose que 125 Qtot é transferido pelo ar ao resfriar de Tain para Taout Esta quantidade é multiplicada por 12 de forma a considerar o ar que ingressa no secador Para se chegar ao valor total de vazão de gás na saída a vazão de água evaporada deve ser adicionada Considerandose uma velocidade de gás aceitável o diâmetro do tambor pode ser obtido Para calcular o comprimento do secador utilizamse as razões de comprimento para diâmetro encontradas na prática industrial Estas razões se encontram na faixa entre 5 e 8 e um valor de 7 é utilizado comumente na prática Uma metodologia alternativa é proposta na literatura Perry et al 1984 e é discutida a seguir A secagem em um secador rotativo de aquecimento direto pode ser descrita como sendo um mecanismo de transferência de calor O calor total transferido no processo pode ser dado por kJh UaV T 125Q m tot 13 em que U é o coeficiente global de transferência de calor a é a área de contato e V é o volume do secador O produto Ua pode ser calculado pela expressão Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG kJm hK D KG Ua 3 n m 14 em que K é uma constante de proporcionalidade G é a vazão mássica de gás kgm2h D é o diâmetro do tambor e n é uma constante cujo valor foi determinado por evidências experimentais em secadores comerciais como sendo 067 K é uma variável na realidade e depende das propriedades físicas do material sendo seco do número de aletas da profundidade da aleta da carga da aleta e da velocidade de rotação do tambor Perry et al 1984 recomendam que se utilize o valor K 05 para secadores contendo um número de aletas que varia entre 06D e D e operando em velocidades periféricas de tambor de 03 a 04 ms 36D a 48D rpm O Instituto Americano de Engenheiros Químicos AICHE 1985 recomenda que se utilizem valores na faixa de 05 K 075 O valor de K 075 está associado a secadores com alto carregamento até 17 e um grande número de aletas suspensórias O calor total transferido pode então ser calculado por kJh T 82 LDG 125Q m 0 67 m tot 15 Perry et al 1984 afirmam que as velocidades de ar em massa em secadores rotativos se encontram na faixa entre 05 e 50 kgm2s Somente por meio de experimentação é que se pode determinar a vazão máxima de gás para evitar o levantamento de poeira Uma velocidade de ar de 14 kgm2s pode ser usada com segurança para partículas com tamanho médio de 500 µm Uma vez que a velocidade do ar foi selecionada podese calcular o diâmetro do secador v livre g 2 G A 3600 v 4 D π 16 em que vg é a velocidade superficial do gás na saída Alivre é a porcentagem da área total da seção transversal livre para escoamento do gás Com o diâmetro do tambor calculado podese calcular o comprimento do mesmo por meio da relação 7 D L 17 ou de uma forma mais rigorosa por meio de um rearranjo da equação 15 m 0 67 m tot T DG 82 125Q L 18 em que Tm pode ser explicitado da equação 12 Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG t aout ain m N T T T 19 Substituindo a equação 19 na equação 18 T T DG 82 N 125Q L aout ain 0 67 m t tot 20 O calor total transferido é o calor cedido pelo gás e é dado por T 4 D G c T Q aout ain m p 2 tot π 21 Substituindo a equação 21 na equação 20 e tomando o valor de cp para o ar como 105 kJkgK chegase a uma relação matemática para a razão comprimento por diâmetro do tambor 0 29NtG 0 33 D L 22 A equação 22 fixa valores da razão LD para certos valores de unidades de transferência Nt e vazões mássicas de ar Gm Considerando os limites práticos observados industrialmente para Nt e Gm 15 Nt 25 e 05 Gm 50 podese chegar aos limites para a razão LD como mostra a Tabela 1 Tabela 1 Valores de LD para limites práticos de Nt e Gm Nt Gm kgm2s 05 10 20 30 40 50 15 52 65 82 93 103 110 20 69 86 109 124 137 147 25 86 108 136 155 171 184 Para velocidade mássica de 1 kgm2s 3600 kgm2h as predições para a razão LD parecem estar no lado seguro conservador quando comparado com os valores práticos encontrados para esta faixa de velocidades mássicas 5 LD 8 Perry et al 1984 fornecem a seguinte relação para cálculo do tempo de residência em secadores rotativos Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG min d F LG 10 D SN 0 23L 50 p m 90 τ 23 em que S é a inclinação do secador N min1 é a velocidade de rotação do tambor F kgm2h é a vazão mássica de produto por unidade de área e p d µm é o tamanho médio das partículas A AICHE também recomenda que se utilize esta relação O sinal positivo se refere à operação com escoamento em contracorrente e o sinal negativo se refere à operação com escoamento em paralelo O segundo termo à direita da igualdade é uma correção para o efeito do escoamento do gás A equação 23 pode ser usada para velocidades de ar que não excedam em muito o valor de 1 ms A seguinte expressão empírica é sugerida para cálculo do consumo de potência motora para um secador rotativo com aletas suspensórias kW 4 D L 30 P 2 mot π 24 Entretanto valores menores foram encontrados na prática para secadores rotativos com baixas velocidades periféricas como é o caso de secadores para polpas de beterraba A AICHE 1985 recomenda que se utilize a seguinte expressão para potência motora de secadores com aletas suspensórias kW 134040 0 73W 60 W 139D N34 3 Dw Pmot 25 em que w é o holdup de material sólido e W é a soma do peso do tambor com o holdup de material O holdup w pode ser calculado de kg 60 F 4 D w 2 τ π 26 Apresentase a seguir um exemplo de projeto de secador rotativo utilizando a metodologia descrita Exemplo 2 Projeto de um secador rotativo de aquecimento direto com escoamento paralelo para minerais A capacidade de processamento é de 15 toneladas por hora A temperatura do minério na alimentação é de 15oC 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 2250 kgm3 e o calor específico dos sólidos é de 08 kJkgK Os sólidos não são solúveis em água A densidade de partículas bulk é de 1400 kgm3 A temperatura do ar ambiente é de 10oC e a temperatura de entrada do gás é de 700oC A velocidade de saída do gás é de 15 ms Os dados para o sistema arágua são calor específico da água de 419 kJkgK calor específico do vapor de água de 1886 kJkgK calor Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG latente de vaporização a 0oC de 2504 kJkg relação para massa específica do vapor de água a 105 Pa dada por 220273T kgm3 calor específico médio do ar de 105 kJkgK e relação para massa específica do ar a 105 Pa dada por 355273T kgm3 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 e 3 a temperatura de saída do produto é pressuposta ser igual à temperatura de saída do gás Solução A primeira etapa na metodologia de projeto de secadores consiste em efetuar um balanço de massa no sistema Balanço de massa kgh Entra Sai Sólidos 14550 14550 Água 1984 450 16534 15000 A quantidade de água evaporada é dada por Evap 1984 450 1534 kgh Como Segunda etapa efetuase um balanço de energia no sistema de secagem Balanço de Energia kJh Cálculo da temperatura de saída do gás C 99 5 64 5 0 05700 Tas o O calor transferido para a água evaporada é dado por 4032590 kJh 41915 188699 5 1534 2504 419T 1886T Evap Q f as 1 λ O calor transferido para o sólido seco é dado por 983580 kJh 15 14550 80 99 5 Q2 O calor transferido para a água residual é dado por Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG 159325 kJ h 15 450 41999 5 Q3 O calor total transferido pelo gás é dado por 5 175495 kJ h Q Q Q Q 3 2 1 tot O requerimento de calor Qrp para o funcionamento adequado do secador em regime permanente é dado por 7433579 kJh 5175495 99 5 700 10 125 700 Q T T T 125 T Q tot as ae amb ae rp A energia total empregada para a secagem é dada por 4846 kJ kgágua 1534 7433579 Evap Q Q rp sec Unidade de preparação de ar A capacidade do queimador para satisfazer os requerimentos de calor deve ser de 7433579 kJh Recomendase que se instale um queimador com capacidade de sobra de 35 isto é neste caso um queimador com uma capacidade nominal de 10000 MJh A vazão de ar no secador pode então ser calculada de 10260 kgar h 10 105700 7433579 T T c Q G amb ae p rp m ar A massa específica do ar é 3 a 1233 kgm 15 273 355 R A vazão volumétrica de ar é 8321m h 1233 10260 R G G 3 a m v Com a vazão volumétrica de ar podese calcular a potência do ventilador considerando a queda de pressão no sistema de p 2 500 N m2 Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG 116 kW 1000 50 3600 8321 2500 1000 3600 p G P v vent η Recomendase 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 Secador O 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 3 w 3 a 0 591kgm 99 5 273 220 R e 0 953 kgm 99 5 273 355 R A vazão de ar na saída incluindo o ar de ingresso 20 é h 12919 m 0 953 10260 21 G 3 vs A vazão volumétrica de água no secador é h 2596 m 0 591 1534 F 3 vw A vazão total de gás ar água saindo do secador é h 15515 m 2596 12919 F G G 3 vw vs tots O diâmetro do secador pode ser calculado considerando que o mesmo pode ser considerado um duto circular 207 m D 15515 0 85 3600 v D 4 g 2 π O fator 085 é utilizado para compensar a área da seção transversal ocupada pelas aletas suspensórias e outros componentes mecânicos internos Recomendase que se utilize o valor de D 21 m O comprimento L do secador pode ser calculado a partir da razão prática de LD 7 14 7 m 12 7 L Secagem Industrial Prof Leandro S Oliveira Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG Uma vez calculados o diâmetro e o comprimento do secador podese calcular a potência motora necessária para girar o tambor 15 3 kW 14 7 12 4 30 L D 4 30 P 2 2 mot π π Recomendase 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