Secadores Contínuos

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Cálculo de projeto para secadores contínuos.

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  • -Convecção é o modo mais comum para transferência de calor em secadores;
    - A maioria dos secadores são operados a pressão atm. As operações em vácuo são caras e indicada para produtos que operem a baixas pressões ou para produtos que não podem operar na presença de oxigênio;
  • -Atomizador de vapor aumenta a eficiência da queima do combustível;
    -Ar para purga do sistema – auxilia na limpeza da caixa de combustão; purga possíveis aglomerados da combustão ou de refluxo do material
  • Tw-temperatura de bulbo umido do ar de secagem
    t – temperatura de residência
    Uperm=velocidade do ar permissível
  • Tabela com a síntese dos dados fornecidos no problema e alguns outros encontrados na literatura, como o perry.
  • j é um fator de proporção igual a 0,85.
    3600 é para correção das unidades
  • Secadores Contínuos

    1. 1. SECADORES Cálculo de projeto para secadores contínuos Disciplina: Operações Unitárias II Docente: Daiane Discentes: Renato Leitão e Stéfano Praxedes
    2. 2. Tópicos a serem apresentados Princípios de secagem Conceituação geral Mecanismos de migração de umidade Classificação Estudo de caso 1: Secador Rotativo Estudo de caso 2: Secador em Leito Fluidizado Curva de secagem
    3. 3. Conceituação geral  Princípios de secagem  A secagem tem a finalidade de eliminar um líquido volátil contido num corpo não volátil, através de evaporação. Portanto, a secagem de nosso interesse é caracterizada pela evaporação da água do material.  Durante a secagem é necessário um fornecimento de calor para evaporar a umidade do material e também deve haver um sorvedor de umidade para remover o vapor água, formado a partir da superfície do material a ser seco.
    4. 4. Conceituação geral  Mecanismos de migração da umidade  O movimento de água do interior do material até à superfície é analisado pelos mecanismos de TM, que indicará a dificuldade de secagem o Difusão líquida o Difusão de vapor o Escoamente de um líquido e de vapor
    5. 5. Conceituação geral  Curva de secagemDiminuição do teor de água do produto durante a secagema curva obtida pesando o produto durante a secagem numa determinada condição de secagem. Representa a variação da temperatura do produto durante a secagem. Representa a velocidade (taxa) de secagem do produto (variação do conteúdo de umidade do produto por tempo, dX/dt em relação à evolução do tempo t), isto é, é a curva obtida diferenciando a curva (a)
    6. 6. Critérios para Classificação  Devido à grande variedade de tipos de produtos que devem ser secos por diferentes métodos, existe também uma variedade de projeto de secadores.  Os critérios para se classificar os secadores são muitos.
    7. 7. Classificação: Método de Operação
    8. 8. Tipos de Secadores de Grãos: Secadores Contínuos  O grão fica constatemente sob ação do calor, até que seu teor de umidade atinja um valor desejado.  Há um fluxo constante de produto no interior do secador e, simultaneamente, há grãos úmidos entrando, grãos em fase de secagem e grãos secos e frios sendo descarregados.  A secagem ocorre, geralmente, em duas etapas bem definidas: • Primeira etapa: a massa de grãos é atravessada por um fluxo de ar quente, que tem por finalidadade a secagem propriamente dita; • Segunda etapa: o produto é atravessado por um fluxo de ar com temperatura ambiente, que tem como finalidade resfriá-lo.
    9. 9.  O produto passa por um mecanismo de regulagem de fluxo que determinará o tempo de exposição ao ar de secagem (tempo de residência).  A secagem contínua é indicada para grande quantidade de produto e tem como vantagem a redução de tempo total de secagem (eliminação da operação de carga /descarga).  No caso da secagem de sementes em geral, torna-se difícil operar os secadores contínuos, uma vez que a temperatura do ar de secagem deve ser menor do que aquela utilizada para grãos (trincas nos grãos). Tipos de Secadores de Grãos: Secadores Contínuos
    10. 10. Estudo de caso – Secadores rotativos  Principais usos:  Secagem de pastas que não formam aglomerado ( ex.: massa de bolo Vilma, alguns catalisadores.)  Sólidos de fluxo livre (ex.: grãos em geral, minério)  Fatores importantes a serem considerados na hora da seleção de um secador  Modo pelo qual o calor é fornecido ao material (Condução, Convecção ou Radiação)  Temperatura e pressão de operação ( altas ou baixas temperaturas; secagem atm ou a vácuo)  Maneira pela qual o material se comporta dentro do secador ( tipo)
    11. 11. Estudo de caso – Secadores rotativos  Diagrama esquemático de um secador rotativo
    12. 12. Estudo de caso – Secadores rotativos  Descrição do problema Para a secagem de pellets de catalisador, os engenheiros de uma determinada indústria decidiram que um secador rotativo direto será adequado, e investigaram o desempenho do secador em uma planta piloto, afim de obter dados para o aumento de escala. A produção F deverá ser de 350 kg/h em base seca. Os pellets tem forma cilíndrica, aproximadamente 1 cm de comprimento e 1 cm de diâmetro, a sua densidade aparente ρb é 570 kg/m³ , o calor específico Cps é 1kJ/kg K, e o teor de umidade X0 , de acordo com resultados anteriores de funcionamento da unidade fabril, é de 0,65 kg/kg db. O produto final, de modo a ser estável tem de ter um conteúdo de unidade X de até 0,05 kg/kg db. O material não adere ao secador, contudo é sensível a altas temperaturas. A temperatura inicial T1ar não pode exceder 150-179 °C. O fluido de aquecimento será o ar. Um permutador de calor de vapor-ar será usado para o aquecimento. A velocidade do ar deve ser controlada para não arrastar produto. A Tab.1 apresenta os parâmetros de operação da planta piloto.
    13. 13. Estudo de caso – Secadores rotativos  Modelagem do problema T1ar=160 °C T2ar=65 °C Tw = 40 °C uperm = 3 kg/m²s τ=0.35h T2p=45 °C T1p=25 °C
    14. 14. Estudo de caso – Secadores rotativos
    15. 15. Estudo de caso – Secadores rotativos  Equações de projeto  Balanço de Massa  Massa total alimentada:  Massa total na saída do secador:  Taxa de evaporação de água mw (kg/h): Onde, F: produção em base seca X0: teor de umidade na entrada do secador X: teor de umidade na saída do secador Balanço de Energia  O calor fornecido nos secadores são utilizados para 5 princípios diferentes na operação unitária de secagem, são eles: 01 FXFF  FXFF2  21w F-Fm 
    16. 16. Estudo de caso – Secadores rotativos  Primeiro: Para aquecer a água contida no produto , onde Cpw é o calor específico da água  Segundo: Para evaporar a água que sai do material. , onde ΔHw é o calor de vaporização da água (kJ/kg)  Terceiro: Para aquecer o vapor da temperatura inicial de bulbo úmido até a temperatura de saída do ar. , onde Cpv é o calor específico do vapor  Quarto: Para aquecer o material sólido de sua temperatura inicial até a temperatura de saída. , onde Cps é o calor específico do catalisador)T-(TFCQ m1m2ps4  )T-(TCmQ 1pwpww1  )T-(TCmQ w2arpvw3  HmQ ww2 
    17. 17. Estudo de caso – Secadores rotativos  Quinto: Para aquecer a água que permanece na saída do produto Assim, o calor total transferido para o produto é determinado adicionando o fator corretivo α: α: é um fator que compensa as perdas de calor devido à condução entre a superfície externa do secador e o ar atmosférico, devido a radiação. *Estas perdas são estimadas em cerca de 7,5-10% do consumo de calor.  Equações de dimensionamento  Taxa de massa de ar G necessária afim de transferir uma quantidade suficiente de calor para secagem: )( 21, arararp TTC Q G   )QQQQ)(Q(1Q 54321   )T-(TFXCQ m1m2pw5 
    18. 18. Estudo de caso – Secadores rotativos  Diâmetro D do secador:  Volume V do secador:  Comprimento L do secador: * Na prática uma relação L/D deve estar entre 4-10 para um ótimo desempenho do secador.          permju G D 3600 4 sH F V   2  2 4 D V L   H s  : Tempo de residência do produto : Densidade aparente do catalisador : Resistência à secagem (demora)
    19. 19. Estudo de caso – Secadores rotativos  Equações de desempenho  Numero de unidades de transferência de calor NT:  Quantidade de calor fornecida ao permutador de calor para aquecimento do fluxo de ar da temperatura atmosférica T0 para a temperatura de entrada no secador, T1ar. Eficiência térmica : war war T TT TT N    2 1 ln )( 01, TTGCQ ararphe  he th Q QQQQQ n 54321  
    20. 20. Estudo de caso – Secadores rotativos  Resultado dos cálculos
    21. 21. Estudo de caso – Secadores rotativos  Resultado dos cálculos  Aquecendo a massa de catalisador de 25 – 40 °C 33 42 51 66 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 350 450 550 700 850 kJ/h kg/h db Redução energética no cooler Planilha
    22. 22. Estudo de caso – Secadores 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 mantê-lo em um estado fluidizado. • A secagem em leito fluidizado depende de 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 (0,5 a 2,0m); e um tipo retangular com um leito de até 0,2m de profundidade.
    23. 23. Estudo de caso – Secadores em Leito Fluidizado Secadores Circulares • Temperaturas elevadas na entrada (800°C); usado para secar carvão, calcário, escória de alto forno. • A intensidade do fluxo de ar deve ser tal que supere a velocidade terminal do produto, provocando turbulência e carreando este. • A composição da corrente de produto é a igual a composição do leito. • Incrustações não passíveis de ocorrer devido o conteúdo do secador esrtá seco
    24. 24. Estudo de caso – Secadores em Leito Fluidizado Obter 40 t/h de areia seca em um secador de leito fluidizado funcionando continuamente. A alimentação contém 5% de água em massa e está a 10°C. A umidade do produto deve ser menor que 0,1% O tamanho médio de partícula é 400μm. O calor específico da areia é 0,84 kJ/kg K. O ar ambiente é aquecido a 750°C pela queima de gás natural. O calor específico do ar é 1,05 kJ/kgK. Solucão • Balanço de massa para água e areia: • Quantidade de água evaporada é dada por: mH2O,Evap = 2103 – 40 = 2063 kg/h ENTRAD A SAÍDA ÁGUA 2103 40 AREIA 39960 39960 TOTAL 42063 40000
    25. 25. Estudo de caso – Secadores em Leito Fluidizado • Balanço de energia: *Tomar a temperatura de saída do gás e do produto como sendo 90°C 1. Evaporar a água / Aquecer o vapor / Aquecer a água contida no produto Q1 = mH2O,Evap(ΔHH2O + CP,V.T2AR – CP,H2O.T1H2O) Q1 = 2063(2504 + 1,886.90 – 4,19.10) = 5,43.106 kJ/h 2. Aquecer a areia de sua temperatura inicial até a temperatura de saída. Q2 = mAREIA.CP,AREIA(T2P – T1P) Q2 = 39960.0,84(90 – 10) = 2,69.106 kJ/h 3. Aquecer a água que permanece na saída do produto Q3 = mH2O,S(T1H2O – T2H2O) Q3 = 40.4,19(90 – 10) = 13,4.103 kJ/h 4. Calor necessário para o processo QTOTAL1 = Q1 + Q2 + Q3 = 8,2.106 kJ/h
    26. 26. Estudo de caso – Secadores em Leito Fluidizado 5. QTOTAL1 é transferido pelo agente de secagem que é resfriado de 750 para 90°C. *O agente de secagem fornece calor para perdas por convecção e radiação (~1,1). - Essa é a quantidade de calor que é transferida da combustão do gás natural para o agente de secagem. 6. Quantidade de calor utilizado para evaporar a água QTOTAL2 =1,1QTOTAL1 T1AR -T1ÁGUA T1AR -T2AR QTOTAL2 =1,1.8,2.106 . 750-10 750-90 =107 kJ / h QEVAP = 107 2063 = 4,85.103 kJ / h
    27. 27. 7. Ventilador de Exaustão Quantidade de ar a ser utilizada: O Ventilador de exaustão puxa o ar quente e úmido para os ciclones. A densidade do ar a 90°C é 0,97 kg/m3. A vazão de ar no escoamento livre é: *O fator 1,1 é usado para levar em consideração a atração de ar de ingresso A vazão de vapor de água na seção de escoamento livre é: A vazão total de gás na seção de escoamento livre é 18.103 m3/h 8. 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 0,8 m/s é considerada. Esta velocidade é reduzida para 0,4 m/s na seção de desacoplamento. O cálculo do diâmetro do secador é dado por: P 4 D2 0.8 =18.103 m3 / h 107 1,05(750-10) =12,9.103 kg / h 1,1. 12,9.103 0,97 =14,6.103 m3 / h 2063 0,6 = 3,4.103 m3 / h D = 2,82m
    28. 28. Estudo de caso – Secadores rotativos  Conclusão
    29. 29. BIBLIOGRAFIAS CONSULTADAS [1] PERRY, R. H., BENSKOW, L. R., BEIMESCH, W. E., et al. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 8ed. Nova Iorque: McGraw-Hill, 2008. [2] KERN, Donald Q. Process Heat Transfert, McGraw-Hill Kogakusha, Tóquio, 1950, 871p. [3] INCROPERA F.P.; DE WITT D.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Willey & Sons, New York, 3ª ed, 1990. 970p. [4] KEEY, R. B. Introduction to industrial drying operations. Oxford: Pergamon Press, 1978. [5] PARK, ANTONIO, OLIVEIRA e PARK. Conceitos de Processo e Equipamentos de Secagem. Disponível em: http://www.feagri.unicamp.br/ctea/manuais/concproceqsec_07.pdf [6] SILVA, AFONSO e DONZELLES. Secagem e Secadores. Disponível em: ftp://ftp.ufv.br/dea/poscolheita/Livro%20Secagem%20e%20e%20Armazenagem%20 de%20Produtos%20Agricolas/livro/mb_cord/mb1/cap5.pdf

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