Secagem em Leito Fluidizado - Processo, Tipos e Exemplo Prático

Secagem em Leito Fluidizado Um secador de leito fluidizado contínuo é um equipamento no qual uma alimentação contínua de material particulado úmido é seco por contato com ar aquecido que é soprado através do leito deste material para mantêlo em um estado fluidizado A secagem em leito fluidizado depende da fluidização o teor de umidade da alimentação é geralmente mais baixo que os usados em secadores rotativos e do tipo flash Dois tipos principais de secadores de leito fluidizado são encontrados um tipo circular com um leito profundo 05 a 20 m e um tipo retangular com um leito de até 02 m de profundidade Secadores circulares Figura 1 temperaturas elevadas na entrada por exemplo 800oC usado para secar carvão calcário escória de alto forno O equipamento não é vibrado e o leito fluidizado apresenta características de um reator de mistura contínuo A composição da corrente de produto é a igual à composição do leito A consequência é que incrustrações não passíveis de ocorrer uma vez que o conteúdo do secador está seco Não há restrições de aumento de escala Embora o consumo elétrico seja elevado uma vez que o ventilador é utilizado para fluidizar o leito uma dos principais atrativos deste sistema é a simplicidade Leito Fluidizado grade plenum produto poeira ar quente alimentação gás de secagem Figura 1 Leito fluidizado circular Exemplo Obter 40 toneladas métricas por hora de areia seca em um secador de leito fluidizado funcionando continuamente A alimentação contém 5 de água em massa e está a 10 oC A umidade do produto deve ser menor que 01 O tamanho médio de partícula é 400 m O calor específico da areia é 084 kJkgK O ar ambiente é aquecido a 750 ºC pela queima de gás natural O calor específico do ar é 105 kJkgK Solução Balanço de massa para a água e areia entrada saída Água 2103 40 areia 39960 39960 Total 42063 40000 A quantidade de água evaporada é dada por 0 573 kg s 2063 kg h 40 2103 Evap Balanço de energia Tomar a temperatura de saída do gás e do produto como sendo 90 ºC 5429486 kJ h 10 419 90 1886 20632504 Q1 2685312 kJ h 0 84 10 3996090 Q2 13408 kJ h 419 10 4090 Q3 8128206 kJ h 13408 2685312 5429486 Q tot1 Qtot1 é o calor necessário para o processo e que é transferido pelo agente de secagem que é resfriado de 750 para 90 ºC Além disso o agente de secagem fornece calor para perdas por convecção e radiação Um fator de 11 é satisfatório para considerar estas perdas 10024787 kJ h 11 90 750 10 750 8128206 Q tot2 Esta é a quantidade de calor que é transferido da combustão do gás natural para o agente de secagem A quantidade de calor utilizada para evaporar a água é 4859 kJ kg água evaporada 2063 10024787 Qevap O consumo a longo prazo startup parada limpeza é provavelmente um fator 12 mais alto 12 4859 kJkg de água evaporada Soprador de ar de fluidização A altura do leito é de 05 m A densidade do leito de areia é 1500 kgm3 A queda de pressão perda de carga no leito fluidizado é 2 L 7357 5 N m 50 9 81 1500 p A perda de carga no distribuidor de ar é 2 D 18394 N m 7357 5 0 25 p A perda de carga na câmara de combustão é de 2500 Nm2 A perda de carga total é 11697 N m2 2500 18394 7357 5 p Quantidade de ar a ser utilizada 12902 kg h 10 750 05 1 10024787 O volume de ar é 10 C a h 10368 m 273 283 129 12902 o 3 Consumo de potência do ventilador 674 kW 50 1000 3600 11697 10368 Instalar um motor de 80 kW Este consumo de potência também inclui o soprador de ar de combustão Ventilador de exaustão O ventilador de exaustão puxa o ar quente e úmido para os ciclones A perda de carga nos ciclones é de 1500 Nm2 A densidade do ar a 90 ºC é 097 kgm3 A vazão de ar na seção de escoamento livre é h 14631 m 0 97 12902 11 3 O fator 11 é usado para levar em consideração a atração de ar de ingresso A vazão de vapor de água na seção de escoamento livre é h 3438 m 60 2063 3 em que 06 é a densidade do vapor de água A vazão total de gás na seção de escoamento livre é 146313438 18069 m3h Consumo de potência do ventilador 151 kW 50 1000 600 3 1500 18069 Instalar um motor de 20 kW Diâmetro do secador de leito fluidizado Para evitar o entranhamento excessivo de poeira uma velocidade superficial de gás um pouco acima do leito fluidizado de 08 ms é considerada Esta velocidade é reduzida para 04 ms na seção de desacoplamento O cálculo do diâmetro do secador é dado por 283 m D 600 3 18069 80 D 4 2 O diâmetro da seção de desacoplamento é 4 m 2 83 2 Secadores de Leito Fluidizado Retangulares Secadores retangulares Figura 2 secador apresenta pequena altura de leito com característica de escoamento empistonado plug flow Não é fácil conseguir fluidização do material úmido próximo à entrada da alimentação podendo promover um transporte inapropriado e incrustação Algumas modificações podem ser feitas para sanar estas falhas a aumentar a vazão de ar na seção de alimentação b direcionar o ar soprado de forma a criar um efeito de transporte e c introduzir vibração no secador Frequentemente a última opção é a empregada uma vez que este equipamento foi desenvolvido a partir de transportadores vibratórios e podem ser utilizados para diversos tipos de material e é aplicável a uma diversidade de tamanhos de partículas A vibração garante o transporte Alimentação Produto Poeira gás de secagem úmido Ar frio Ar quente Figura 2 Leito fluidizado retangular Nos secadores de leito fluidizado retangular o material a ser seco entra no secador à temperatura de saturação adiabática que será alcançada pelo agente de secagem até que se finalize a secagem à taxa constante primeira seção do secador de comprimento L1 ponto em que o sólido está com o teor de umidade crítico Figura 3 A seção seguinte do secador é utilizada para reduzir o teor de umidade do material do teor de umidade crítico para o teor de umidade final desejado e o comprimento desta seção é designado L2 A seção seguinte de comprimento L3 é usada para resfriar o material até a temperatura final desejada Figura 3 Perfis de temperaturas e de teores de umidade de sólidos em secadores de leito fluidizado retangulares O balanço de massa para a umidade no agente secagem é mH2O BL1vgρgYsai Yent 1 em que mH2O é a vazão em massa de vapor de água Yent é a umidade absoluta do ar na entrada do secador que é igual à do ar ambiente Y0 Ysai é a umidade absoluta do ar após escoar pelo leito fluidizado vg é a velocidade do gás quente ρg é a densidade do ar B é a largura m do secador e L1 é o comprimento m da seção de secagem à taxa constante do leito fluidizado retangular De 1 podese explicititar o comprimento da primeira seção L1 L1 mH2O BvgρgYsai Yent 2 Uma consideração implícita é que a alimentação entra à temperatura de saturação adiabática L1 é multiplicado por 115 para considerar as perdas de calor em regime permanente O dimensionamento da segunda seção do secador de leito fluidizado retangular é fundamentado no balanço de energia conforme apresentado na Figura 4 Figura 4 Balanço de energia em leito fluidizado retangular A equação de dimensionamento para a segunda seção é vgρgBdxcpgTgent Tgsaix mscpsdTgsaix 3 em que ms é a vazão em massa de sólidos kgs cps é o calor específico dos sólidos kJkg K cpg é o calor específico do ar kJkg K Tgent é a temperatura do ar na entrada da seção do secador ºC Tgsaix é a temperatura do sólido ao longo da seção ºC em equilíbrio com a temperatura do fluido Para a equação 3 considerouse que o calor é transferido somente no escoamento transversal ao escoamento do sólido Integrando a equação 3 entre x 0 e x L2 L2 mscps vgρgBcpg ln Tgsaix0 Tgent TgsaixL2 Tgent 4 L2 é multiplicado por 115 para considerar as perdas de calor em regime permanente Exemplo Obter 20 th de sal em um secador de leito fluidizado contínuo retangular A alimentação entra com um teor de água de 25 em massa a uma temperatura de 50 C O produto seco deve conter menos que 01 em massa de água A experiência demonstra que é necessário aquecer o sal a 65 C para alcançar o teor de umidade requerido O tamanho médio de partícula é 400 µm O sal apresenta um calor específico de 087 kJkg K O ar ambiente Tg0 10C e φ0 30 é aquecido a 170 C indiretamente com vapor O calor específico do ar é 10 kJkg K e a pressão de vapor de água da salmoura saturada é de 75 da pressão de vapor da água entre 0 e 100 C Solução Para as condições do ar ambiente de Tg0 10C e φ0 30 as propriedades termodinâmicas do ar úmido são Tg0 10C φ0 30 Y0 0002 kg H2Okg ar seco v0 081 m3kg ar seco Twb0 35C Para o ar na saída do aquecedor e entrada do secador as propriedades termodinâmicas do ar úmido são podem ser retirados de cartas psicrométricas para temperaturas elevadas ou calculados por meio das equações para ar úmido Tgent 170C φent 0047 Yent Y0 00023 kg H2Okg ar seco vent 13 m3kg ar seco Twbent 4223C ρg 129 273 273 170 0795 kgm3 Balanço de massa para a água e o sal entrada saída Água 512 20 Sal 19980 19980 Total 20492 20000 A quantidade de água evaporada é dada por mH2O 512 20 492 kgh 01367 kgs As propriedades termodinâmicas do ar úmido ao término da seção de secagem à taxa constante podem ser obtidas da carta psicrométrica considerando secagem de saturação adiabática a Twb 4223C e pressão de vapor de água da salmoura saturada de 75 da pressão de vapor da água entre 0 e 100C ou seja a umidade relativa do ar que sai do leito após percolálo é φsai 75 Como a temperatura do agente de secagem é elevada Tgent 170C há a necessidade de se utilizar uma carta psicrométrica para temperaturas elevadas ou um diagrama de Mollier para temperaturas elevadas ou software para calcular Para o par de propriedades psicrométricas Twb 4223ºC e ϕsai 75 as outras propriedades são T 4707ºC Y 00535 k g água k g ar seco ν 0985 m³ k g ar seco Dimensionando a primeira seção Com a velocidade do agente de secagem arbitrada em vf 1 ms e a largura da seção retangular do secador em B 125 m o comprimento da primeira seção é obtido de L₁ ṁH₂O BνgρgYsai Yent 01367 125 1 079500535 0002 269 m Multiplicando o comprimento calculado por 115 L₁ 31 m Dimensionamento da segunda seção Para o dimensionamento da segunda seção do secador considerase que a temperatura do sólido é elevada da temperatura de saturação adiabática 4223 C para a temperatura de 65 C A vazão em massa de sólido é ṁₛ 19980 kgh 555 kgs L₂ ṁscps v g ρ g B c p g ln Tgsaix0 Tgent TgsaixL2 Tgent 555 087 1 0795 125 1 ln 4223 170 65 170 095 m Multiplicando por 115 L₂ 11 m Dimensionamento da terceira seção A terceira seção é a seção de resfriamento do produto sendo seco e dimensionada com base no balanço de energia da mesma maneira que a segunda seção É possível resfriar o sal para 40ºC com ar a 25ºC A 25ºC a massa específica do ar é ρg 129 273 273 25 118 kgm³ O comprimento da seção de resfriamento L₃ é L₃ ṁscps v g ρ g B c p g ln Tgsaix0 Tgent TgsaixL3 Tgent 555 087 1 118 125 1 ln 65 25 40 25 321 m Multiplicando por 115 L₃ 369 m O comprimento total do secadorresfriador L é L L₁ L₂ L₃ 31 11 369 789 m