Secagem por Aspersão Spray Dryer: Principios, Etapas e Vantagens

Secador por aspersão O secador por aspersão spray dryer é um equipamento que admite a alimentação somente em estado fluido solução suspensão ou pasta e a converte em uma forma particulada seca pela aspersão do fluido em um agente de secagem aquecido usualmente o ar Há quatro etapas principais no processo de secagem por aspersão a aspersão da alimentação algumas vezes denominada atomização b evaporação da umidade livre c evaporação da umidade ligada e d recuperação do produto limpeza do agente de secagem Na operação da secagem por aspersão o líquido é bombeado do tanque de alimentação para o dispositivo de aspersão eg aspersor rotativo bocal de pressão bocal pneumático bocal ultrassônico o qual comumente se localiza na porção superior da câmara de secagem O ar de secagem é coletado da atmosfera por um ventilador escoado através de um filtro e de um aquecedor até alcançar o distribuidor de ar As gotas produzidas pelo aspersor em geral em queda livre se encontram com o ar aquecido e a evaporação do líquido ocorre promovendo desta maneira simultaneamente o resfriamento do ar e a secagem do material originalmente dissolvido ou suspenso no líquido Após a secagem das gotas na câmara do secador o produto seco entranhado com o ar é removido na parte inferior do secador da qual é pneumaticamente transportado para um ciclone para a separação das partículas secas e do ar As partículas são coletadas na porção inferior do ciclone por meio de uma válvula rotatória ao passo que o ar com as partículas ultrafinas é coletado na parte superior e encaminhado para lavadores de gases para remover as partículas finas limpeza de ar Um layout típico de sistema de secagem por aspersão é apresentado na Figura 1 Figura 1 Layout típico de sistema de secagem por aspersão As vantagens da secagem por aspersão são capacidade de lidar com fluidos bombeáveis sensíveis ao calor não sensíveis ao calor e resistentes ao calor como materiais dos quais pós secos serão produzidos capacidade de produzir material seco com tamanho forma teor de umidade e outras propriedades de partículas controláveis independentemente da capacidade do secador e da sensibilidade ao calor do material permite operação contínua adaptável a qualquer tipo de sistema de controle possibilidade de operar com ampla faixa de capacidades de produção e flexibilidade de projeto dos secadores As limitações da secagem por aspersão custos de instalação elevados baixa eficiência térmica e deposição de produto no fundo da câmara de secagem pode promover degradação do produto ou perigo de incêndio Exemplos de produtos secos por aspersão em escala industrial indústria química resina de fenolformaldeído catalisadores PVC indústria cerâmica óxido de alumínio carbetos óxido de ferro caulim indústria de alimentos leite café solúvel ovo proteína de soro indústria farmacêutica penicilina produtos de sangue enzimas vacinas indústria de fertilizantes nitratos fosfatos sais de amônia indústria de surfactantes detergentes enzimas emulsificantes indústria de pigmentos e corantes amarelo cromo dióxido de titânio pigmentos para tintas A secagem por aspersão produz esferas relativamente uniformes apresentando a mesma proporção de compostos não voláteis que a alimentação líquida homogênea Portanto a mesma pode ser utilizada para preparar misturas complexas de sólidos que não podem ser produzidas por métodos mecânicos Por exemplo pós cerâmicos que são prensados em velas de ignição contêm ligantes e lubrificantes orgânicos solúveis e é essencial que cada partícula seca apresente a mesma composição A secagem por aspersão pode ocorrer de forma concorrente contracorrente ou como um processo de escoamento misto Figura 2 A secagem concorrente expõe as gotas à maior temperatura do agente de secagem e desta forma uma rápida evaporação ocorre Portanto esta característica pode levar a produtos que apresentam baixa densidade de partículas e que consistem em estruturas ocas A secagem em contracorrente expõe as partículas que estão quase secas às temperaturas mais elevadas e desta forma produtos extremamente secos podem ser produzidos Figura 2 Tipos de operação de secagem por aspersão É impossível secar e resfriar um produto em um mesmo equipamento de secagem por aspersão Portanto o resfriamento é em geral efetuado em um sistema pneumático subsequente Com relação ao escalonamento do equipamento não há limites podendo apresentar vazões de alimentação acima de 100 toneladas por hora Entretanto esta capacidade não leva a elevados custos de capital quando comparada às de outros secadores Há três mecanismos diferentes que podem ser usados para aspergir atomizar a alimentação a o bocal de um único fluido b o bocal pneumático e c o atomizador rotatório Em geral o atomizador rotatório é preferido para maiores valores de vazão de alimentação eg excedendo 5 th Este tipo de atomizador produz partículas relativamente menores 30 120 m e as tendências ao entupimento são desprezíveis devido aos largos canais de escoamento O bocal pneumático ou de dois fluidos é utilizado para pequenas operações de secagem e em ocasiões em que a alimentação é relativamente mais viscosa O bocal de um único fluido é o mais utilizado e produz partículas maiores que as produzidas pelo rotatório eg 120 250 m Entretanto o tamanho da partícula depende da pressão de alimentação entre 50 e 300 atm e apresenta tendências de entupimento Um atomizador rotatório pode ser utilizado somente em operações em concorrente ao passo que os de bocal podem ser utilizados em quaisquer tipos de operações Geralmente secadores por aspersão equipados com aspersão por bocal apresentam alturas da câmara cilíndrica de três a quatro vezes maior que o diâmetro da câmara ao passo que os secadores com atomizadores rotatórios apresentam alturas de cilindro iguais ao diâmetro da câmara Este diâmetro mais largo previne a aspersão de atingir a parede do secador O agente de secagem para secadores por aspersão pode ser aquecido por chama direta Entretanto para aplicações nas áreas de alimentos e produtos farmacêuticos aquecimento indireto é utilizado de forma a evitar a contaminação dos materiais em secagem com os produtos da queima de combustíveis A maioria dos secadores por aspersão apresentam temperaturas de entrada menores que 350 oC Porém há secadores por aspersão que processam materiais inorgânicos eg catalisadores que operam com temperaturas de entrada próximas de 800 oC ar produto seco produto ar ar ar ar ar produto ar produto ar produto ar produto produto ar ar Dimensionamento de um spray dryer Dados iniciais Produto composto orgânico Modo de operação concorrente Aspersão atomizador rotatório Método de aquecimento direto combustão de gás natural Umidade inicial 55 em massa Umidade final 05 em massa Vazão de produto 500 kgh Temperatura de entrada do ar 205 oC Temperatura da alimentação 20 oC Temperatura do ar ambiente 10 oC Dados da literatura Calor específico da água 419 kJkg K Calor específico do vapor de água 1886 kJkg K Calor latente de vaporização da água à 0 oC 2504 kJkg K Relação para a massa específica do vapor à 105 Pa 220T 273 kgm3 Calor específico do ar 105 kJkg K Relação para a massa específica do ar à 105 Pa 355T 273 kgm3 Calor específico do composto orgânico 125 kJkg K O calor de cristalização é desprezível Dimensionar o secador por aspersão Solução Balanço de massa kgh entrada saída Água 6081 25 Sólidos 4975 4975 Total 11056 500 A quantidade de água removida do sólido e evaporada para o agente de secagem ṁevap é ṁevap 6081 25 6056 kg H₂Oh Balanço de energia kJh A temperatura de saída do ar Tas foi ajustada como função da temperatura de entrada do ar Tae com base em dados de literatura e de fabricantes Tas 8839 log₁₀Tae 11235 Para os dados do problema Tas 8839 log₁₀ 205 11235 92ºC A temperatura do produto seco pode ser calculada como a diferença entre a temperatura de saída do ar e a temperatura de entrada da alimentação líquida Tps 92 20 72ºC A quantidade de calor transferida para evaporação da água Q₁ é Q₁ 60562504 1886 92 419 20 1570752 kJh A quantidade de calor utilizada para aquecer o material sólido Q₂ é Q₂ 4975 12572 20 32338 kJh A quantidade de calor utilizada para aquecer a água que permanece no material sólido Q₃ é Q₃ 25 41972 20 545 kJh A quantidade total de calor QT necessária para secar o material é QT Q₁ Q₂ Q₃ 1570752 32338 545 1603635 kJh Considerando uma perda de calor da ordem de 25 e a eficiência de troca térmica no sistema de secagem a quantidade total de calor necessária para secagem é QT 125 205 10 205 92 1603635 3459168 kJh O consumo específico de energia CE é CE QT ṁevap 3459168 6056 5712 kJkg H₂O O consumo específico total a longo prazo é CE 11 5712 6283 kJkg H₂O O consumo de gás natural CGN a longo prazo é CGN 11 QT PCI ṁss 11 3459168 32000 05 238 m³tprod em que PCI kJm³ é o poder calorífico inferior do gás natural e ṁss é a capacidade do secador em toneladas por hora Dimensão do secador Utilizar uma velocidade superficial de 03 ms Tabela E1 Tabela E1 Velocidade superficial de gás para secadores com atomizador rotatório Diâmetro da Câmara m Velocidade Superficial ms 4 015 65 035 9 055 A quantidade de ar passando pelo secador é ṁa QT cpa ΔT 3459168 105205 10 16895 kgh A quantidade de ar retirada do secador considerando o ar de ingresso é ṁa 11 16895 18585 kgh A vazão de ar Ṽa em volume à 92 ºC é Ṽa ṁa ρa 18585 0973 19101 m³h A quantidade de água evaporada Ṽw em volume é Ṽw ṁevap ρw 6056 0603 1004 m³h A vazão de gás total Ṽt em volume à 92 ºC é Ṽt 19101 1004 20105 m³h O diâmetro da seção cilíndrica do secador é portanto calculado da vazão em volume Ṽt Va Ac Va πDc² 4 Dc 4 Ṽt π Va 4 20105 π 03 3600 487 m em que Va é a velocidade superficial do ar de secagem e Dc é o diâmetro da seção cilíndrica da câmara de secagem Considerar Dc 5 m Considerando um tempo de residência de 25 segundos e uma seção cônica de 60º o volume total do secador é Ṽt t 20105 25 3600 1396 m³ O cálculo da altura da seção cilíndrica é feito com base na equação 07854 Dc² H 02886 Dc em que H é a altura da seção cilíndrica e Dc é o diâmetro da câmara cilíndrica Portanto para o diâmetro e volume de câmara calculados a altura é H 07854 Dc² 02886 Dc 57 m