Equipamento e processo de secagem de líquidos, semi-sólidos e sólidos a diferentes pressões dotado de agitação e mistura dos componentes

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0506639-5 A2
  • Data do depósito:
  • 15/12/2005
  • Data da publicação:
  • 02/10/2007
Inventores:
  • Classificação:
  • F26B 3/00
    Secagem de materiais s?lidos ou de objetos por processos compreendendo o uso de calor;
    ;

EQUIPAMENTO E PROCESSO DE SECAGEM DE LÍQUIDOS, SEMI-SÓLIDOS E SÓLIDOS A DIFERENTES PRESSÕES DOTADO DE AGITAÇÃO E MISTURA DOS COMPONENTES. A presente invenção está relacionada com a construção de um equipamento e um processo de secagem de líquidos, semi-sólidos e sólidos cujo modo de operação emprega, de forma conjugada, transferência simultânea de calor, massa e quantidade de movimento. Mais especificamente, o equipamento é composto de uma câmara de inclinação variável dotada de um sistema interno de agitação e mistura do produto, operando de forma contínua ou em batelada, de acordo com o tempo de residência exigido para secagem. A câmara pode utilizar diferentes valores de pressão e temperaturas de secagem, especificadas de acordo com a necessidade do produto. O modo de transferência de calor ocorre, principalmente, por convecção entre o ar aquecido e o produto; por condução entre a parede da câmara e o produto e por radiação entre os aquecedores e o produto. As vantagens em se utilizar tal equipamento e processo residem no aumento da eficiência da operação de secagem com a manutenção das qualidades do produto.

Página de 2

Documento

EQUIPAMENTO E PROCESSO DE SECAGEM DE LÍQUIDOS, SEMI-SÓLIDOS E SÓLIDOS A DIFERENTES PRESSÕES DOTADO DE AGITAÇÃO E MISTURA DOS COMPONENTES CAMPO DA INVENÇÃO

5    A presente invenção está relacionada com a construção de um equipamento e

um processo para a secagem de produtos sólidos, semi-sólidos e líquidos que permite a utilização de diferentes pressões de ar em sua câmara e é munido de um sistema interno de agitação e mistura do material que está sendo seco, podendo operar em processo contínuo ou batelada. Desta forma, o equipamento proporciona a 10 transferência simultânea de calor, massa e quantidade de movimento. Mais especificamente, a agitação do material é feita através de uma haste helicoidal giratória com a suas inclinações, espessuras e velocidades variáveis, proporcionando melhor distribuição e movimentação do sólido e melhor distribuição do ar. Assim, a presente invenção visa fornecer um aumento da eficiência do processo de secagem 15 com a manutenção das qualidades do produto.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A secagem de sólidos é uma das mais antigas e usuais operações unitárias encontradas nos mais diversos processos usados em indústrias agrícolas, cerâmicas, químicas, alimentícias, farmacêuticas, de papel e celulose, mineral e de polímeros. É -20 também uma das operações mais complexas e menos entendidas, devido à dificuldade e deficiência da descrição matemática dos fenômenos envolvidos de transferência simultânea de calor, massa e quantidade de movimento. Assim, a secagem é um conjunto de ciência, tecnologia e arte, ou seja, um know-how baseado em extensiva observação experimental e experiência operacional.

25    Na secagem, onde ocorre processo da remoção de uma substância volátil

(comum, mas não exclusivamente, água) de um produto sólido através do fornecimento de energia e sorvedor desta substância volátil, é necessário um fornecimento de calor para evaporar o líquido do material e também deve haver um sorvedor do vapor deste líquido para remover o mesmo, formado a partir da 30 superfície do material a ser seco. Portanto é muito importante garantir melhores transferências de calor e de massa durante este processo.Para as matérias primas agropecuárias, o emprego da secagem no processamento tem se tornado um hábito

comum devido às vantagens que essa tecnologia traz. A redução do teor de água aumenta o seu tempo de conservação (PI 8905037-1), o que permite um armazenamento a longo período de tempo, sendo possível gerenciar o escoamento da produção de acordo com as necessidades de mercado.

5    A maioria dos produtos agropecuários (grãos, sementes, carnes, pescados,

frutos, verduras, temperos e ervas medicinais) é colhida no ponto de maturação fisiológica quando apresentam teores máximos de amido, proteínas e óleo (variáveis segundo as espécies) e teor de umidade elevada. Sob essa última condição, a atividade metabólica do produto tem prosseguimento, além de ser propícia ao 10 desenvolvimento de fungos e insetos conduzindo a uma rápida deterioração. Através da remoção da umidade pela secagem, natural ou artificial, torna-se possível a conservação de produtos agropecuários durante o armazenamento.

A eficiência do processo de secagem está relacionada com a qualidade do produto final. No caso de produtos biológicos é desejável que, ao final do processo, 15 o teor de umidade seja uniforme e apropriado às condições de armazenamento; apresentem baixa porcentagem de material danificado e conservação das características sensoriais e nutricionais. As patentes PI 8403163 e PI 8504178 descrevem processos e equipamentos específicos para secagem de materiais biológicos.

-20    As características específicas de cada produto, associadas às propriedades do

ar de secagem e ao meio de transferência de calor adotado, determinam diversas condições de secagem. Entretanto, a transferência de calor e de massa entre o ar de secagem e o produto é fenômeno comum a qualquer condição de secagem. O processo de secagem, baseado na transferência de calor e de massa, pode ser 25 dividido em três períodos.

O primeiro período representa o início da secagem. Nesse período ocorre uma elevação gradual da temperatura do produto e da pressão de vapor do líquido. Essas elevações têm prosseguimento até o ponto em que a transferência de calor seja equivalente à transferência de massa.

30    O segundo período caracteriza-se pela taxa constante de secagem. O líquido

evaporado corresponde à evaporação do líquido puro. As transferências de massa e de calor são equivalentes, correlacionadas ao calor latente do líquido e, portanto, a velocidade de secagem é constante. Enquanto houver quantidade do líquido na superfície do produto suficiente para acompanhar a evaporação, a taxa de secagem será constante.

No terceiro período, a taxa de secagem é decrescente. A quantidade do 5 líquido preséhte na superfície do produto é menor, reduzindo-se, portanto, a transferência de massa. A transferência de calor não é compensada pela transferência de massa; o fator limitante nessa fase é a redução da migração do líquido do interior para a superfície do produto. A temperatura do produto aumenta, atingindo a temperatura do ar de secagem. Quando o produto atinge o ponto de

10 equilíbrio em relação ao ar de secagem, o processo é encerrado.

Portanto, para o estudo do processo de secagem, visando obter o tempo total de secagem (tempo de residência no secador), os parâmetros básicos a serem considerados são:

■    Temperatura: As temperaturas de secagem têm efeito significativo

15 sobre a qualidade do produto. Sob temperaturas elevadas do ar de secagem, pode-

se provocar danos físicos (quebras e trincas), descoloração, redução na qualidade de seus componentes (por exemplo: vitaminas, corantes, amido, óleo e proteína, etc).

■    Umidade Relativa: Para efetuar a secagem é necessário que a pressão de vapor do ar de secagem seja inferior à pressão de vapor do produto. No caso da

<20 água, a umidade relativa do ar de secagem deve ser inferior àquela em que o material está em equilíbrio.

■    Coeficientes de transferências: A transferência de calor e massa durante a secagem é determinada pelos coeficientes destas transferências que dependem da velocidade e da direção do escoamento do ar, grau de

25 agitação/mistura do sólido, semi-sólidos e líquidos, temperaturas, umidade relativa, pressão e razão do sólido/ar.

■    Umidade final e inicial: O teor de umidade do produto, além de permitir o estudo do processo de secagem, é um fator importante para a seleção da temperatura conjugado ao tempo de secagem. As altas temperaturas podem causar

30 danos à matéria prima, assim como causar secagem excessiva na superfície dificultando a migração do líquido e vapor internos à superfície.

■ Umidade de equilíbrio: Todo material tem suas características específicas de ceder o seu líquido volátil. Esta propriedade de ceder ou absorver umidade pelo ambiente de secagem é determinada para uma mesma temperatura. Nos produtos biológicos a umidade contida, conteúdo de água no material, tende a entrar em equilíbrio com a umidade relativa do ar. Tal fenômeno ocorre devido à relação entre a pressão de vapor d'água do produto e a pressão de vapor d'água do ar ambiente. Se a pressão de vapor do produto for menor que a presente no ar, o produto tende a absorver umidade (adsorção); em situação inversa, o produto cederá umidade para o ar (dessorção).

Quando a pressão de vapor d'água da superfície do produto se iguala à pressão de vapor do ar ambiente é estabelecido um equilíbrio.

Para se quantificar melhor os coeficientes de transferências que determinam o estudo do processo de secagem, conseqüentemente o tempo total de secagem (tempo de residência no secador), deve-se entender os mecanismos que governam as transferências. Do ponto de vista da transferência de calor, existem várias formas de fornecimento de calor ao material, sendo assim, é bastante complicado classificar todos os métodos de secagem existentes. Entretanto, os mais comuns são:

1.    Secagem por Convecção: neste método, o calor sensível do meio gasoso é fornecido à superfície do material por convecção que, ao passar pelo material ou através dele, remove o líquido evaporado e a retira do secador. Um exemplo de secador convectivo é descrito na patente PI 0003447-9.

2.    Secagem por Contato ou por Condução: o calor é fornecido ao material úmido por condução, através da superfície de placas, cilindros ou paredes do secador. A quantidade de calor transferida para o material a ser seco não depende apenas da condutividade térmica do material de que é feita a superfície de aquecimento, mas também do coeficiente de transferência de calor do meio de aquecimento e do próprio material secante.

3.    Secagem por Radiação: a energia térmica é fornecida ao material úmido por radiação eletromagnética na faixa de comprimento de onda de 0,76 - 400 mm. A radiação desta faixa, chamada região infravermelha, penetra através da área superficial do material causando a vibração das moléculas, criando assim o efeito térmico.

Do ponto de vista do equipamento (secador) a ser utilizado na secagem, os secadores são classificados de diversas formas, uma delas é segundo o modo de operação de cada secador. A primeira distinção é feita se a operação é a operação em batelada (descontínua) ou a contínua.

No modo de operação em batelada a matéria seca é introduzida no sistema e não há fluxo de sólido (matéria seca), independente da existência de um revolvimento e/ou mistura, através do sistema até o término do processo.

No modo de operação contínuo há um fluxo contínuo de matéria seca através do sistema de secagem considerado. Os secadores de fluxo contínuo se subdividem em vários grupos de acordo com o modo de escoamento e do comportamento do sólido/fluido, tais como, secadores de fluxo de corrente paralela, secadores de fluxo contracorrente, secadores de fluxo cruzado, secadores em cascata e secadores com promotores de mistura, secadores agitados, secadores vibrados, secadores fluidizados, etc.

Não há distinção significativa entre os modos de operação dos secadores contínuos para materiais deterioráveis e não deterioráveis exceto pelas dimensões e adequação do equipamento ao produto e/ou processo.

Portanto, seria interessante o desenvolvimento de um equipamento e um processo de secagem que mantivesse a qualidade do produto através do dimensionamento adequado e de um processo que empregue simultaneamente a transferência de calor, massa e quantidade de movimento.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A presente invenção descreve um sistema de secagem de produtos sólidos, semi-sólidos e líquidos através de um equipamento composto por uma câmara de secagem cilíndrica aquecida, cujo interior apresenta uma haste helicoidal responsável pela agitação e mistura do material para aumento da eficiência de secagem.

O corpo cilíndrico, denominado de secador, possui uma inclinação variável e um sistema de aquecimento do ar de secagem, funcionando como um leito de secagem para o produto úmido que é alimentado através de uma abertura localizada no topo de uma das extremidades do cilindro e é retirado através de uma outra abertura posicionada em sua extremidade inferior oposta. A movimentação/mistura do produto é realizada através de um eixo ao qual está fixada uma haste helicoidal de angulação e espessura variável, aqui denominada de sistema de mistura, acoplada ao cilindro por engate rápido, que além dessas funções também é responsável por revolver e/ou arrastar o material depositado no fundo do cilindro. A velocidade de rotação do eixo é variável e pode ser controlada através de um motor-redutor, de um variador de freqüência ou através de jogo de polias, de acordo com o material a ser seco. A Figura 1 mostra um corte do secador com uma vista da haste helicoidal. O fundo do cilindro possui aberturas que permitem a passagem do ar de secagem proveniente do plenum. A rotação, conjugada a uma determinada configuração do sistema de mistura, é responsável também pela determinação do tempo de residência do produto no secador. A movimentação do material ao longo do secador, se é predominantemente de mistura ou de escoamento na direção da extremidade para a saída do cilindro, será determinada através da combinação do tipo e da velocidade do helicóide, da velocidade do ar e da inclinação do secador.

O ar de secagem é aquecido por um aquecedor externo e insuflado à câmara de secagem através de um dispositivo de insuflamento. O ar aquecido em contato com o material permite que ocorra, por convecção, a transferência de calor responsável por vaporarizar o líquido volátil. Ao sair do secador, o ar encarrega-se de arrastar o vapor gerado para o exterior da câmara, com o auxílio de um dispositivo de sucção, como ilustrado na Figura 2. A câmara possui também duas outras fontes de aquecimento: uma localizada no plenum, além do aquecimento das paredes do secador pelo ar quente, que transfere calor por condução da parede do secador ao material, e uma localizada em sua parte superior, que transfere calor por radiação. A fonte de energia responsável pela geração de calor, nestes dois últimos casos, pode ser qualquer uma conforme a sua disponibilidade e custo.

O controle dos níveis de aquecimento e da distribuição de ar ao longo do secador garante um melhor rendimento do processo. O controle da pressão interna na câmara é feito através de um dispositivo de sucção responsável por aspirar o ar da câmara de secagem nos caso em que necessite de pressões menores que a atmosférica (vácuo), e por um dispositivo de insuflamento que fornece pressões positivas (maiores que a atmosférica) na câmara de secagem. Estes dispositivos possuem válvulas que permitem um ajuste mais acurado das condições de operação.

A pressão dentro da câmara de secagem, aliada a temperatura de secagem garantem um produto seco de melhor qualidade. Por exemplo, os produtos agropecuários preservam melhor o seu aspecto (principalmente a sua cor) e seus nutrientes se a secagem for efetuada a baixas pressões e temperaturas.

5    As válvulas de regulagem do reaproveitamento do ar de exaustão estão

dispostas na tubulação que também compõe o sistema de ventilação. Esta válvula controla o fluxo de ar que retorna (taxa de reaproveitamento) ao sistema de secagem, permitindo uma economia dos gastos energéticos.

Portanto, uma primeira modalidade da presente invenção visa fornecer uma 10 alternativa para a secagem de sólidos, semi-sólidos e líquidos, através de um equipamento dimensionalmente adequado e em uma segunda modalidade visa um processo cujos parâmetros operacionais permitem a transferência simultânea de calor, massa e quantidade de movimento, possibilitando a secagem de produtos, mantendo, após seu processamento, suas qualidades nutricionais, sensoriais (cheiro, 15 sabor, crocância) e outras qualidades essenciais, de acordo com o produto a ser seco. BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A seguir faz-se referência às Figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se têm:

A Figura 1 ilustra o secador em corte com vista do agitador/misturador.