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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
ESTUDO DE SECADORES ROTATÓRIOS NA SECAGEM DE FERTILIZANTES.
Autor: Michel Heleno Lisboa
Uberlândia – MG
2005
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
ESTUDO DE SECADORES ROTATÓRIOS NA SECAGEM DE FERTILIZANTES.
Autor: Michel Heleno Lisboa
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Química da
Universidade Federal de Uberlândia como
parte dos requisitos necessários para a
obtenção do titulo de Mestre em Engenharia
Química.
Uberlândia – MG
2005
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L769e
Lisboa, Michel Heleno, 1980-
Estudo de secadores rotatórios na secagem de
fertilizantes./ Michel Heleno Lisboa. - Uberlândia, 2005.
107f. : il.
Orientador: Marcos Antonio de Souza Barrozo.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de
Uberlândia, Progra-grama de Pós-Graduação em Engenharia
Química.
Inclui bibliografia.
1. 1. Secagem - Teses. 2. Fertilizantes - Secagem -
Teses. 3. Engenharia química - Teses. I. Barrozo,
Marcos Antonio de Souza. II. Universidade Federal de
Uberlândia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Quí-mica. III. Título.
CDU: 66.047.7
(043.3)
MEMBROS DA BANCA EXAMINADORA DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO DE
MICHEL HELENO LISBOA APRESENTADA AO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA QUÍMICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA, EM
FEVEREIRO DE 2005.
BANCA EXAMINADORA
____________________________________
Prof. Dr. Marcos Antonio de Souza Barrozo
(Orientador – PPG –EQ/UFU)
___________________________________
Prof. Dr. José Roberto Delalibera Finzer
(Co-orientador – PPG –EQ/UFU)
___________________________________
Prof. Dr. Carlos Henrique Ataíde
(PPG –EQ/UFU)
___________________________________
Prof
a
. Dr
a
. Meuris Gurgel Carlos da Silva
(FEQ-UNICAMP)
Agradecimentos
Gostaria de agradecer aos Professores Marcos Antonio de Souza Barrozo e José Roberto
Delalibera Finzer pela orientação e incentivo para a realização do mestrado e pelo
companheirismo mostrado dia-dia.
Agradeço a minha família e a minha namorada Gabriela pelo carinho, apoio e pelas
palavras de incentivo.
Agradeço ao Anísio Ferreira Martins Júnior pelos conselhos e pela ajuda, tanto no que
diz respeito ao trabalho quanto na amizade.
Agradeço ao sempre presente para responder qualquer tipo de questionamento Cláudio
Roberto Duarte, que teve grande importância na minha formação desde os tempos de
graduação.
Aos amigos, companheiros de luta: Angélica B. Alves , Danilo S. Vitorino e Willian B.
Delaiba que sempre, ou quase sempre, tiveram a alegria de trabalhar com o secador rotatório.
Sinceros agradecimentos a vocês que foram parte fundamental nesta minha caminhada.
SUMARIO
LISTA DE FIGURAS................................................................................................................i
LISTA DE TABELAS.............................................................................................................iii
NOMENCLATURA................................................................................................................iv
RESUMO...................................................................................................................................x
ABSTRACT..............................................................................................................................xi
CAPÍTULO 1..........................................................................................................................11
INTRODUÇÃO ......................................................................................................................11
1.1 - Fertilizantes....................................................................................................................2
1.2 - Histórico da Produção de Fertilizantes no Brasil...........................................................2
1.3 - Secagem de Fertilizantes................................................................................................3
1.4 - Objetivo do Trabalho .....................................................................................................5
CAPÍTULO 2............................................................................................................................6
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................................................6
2.1 - Fenômenos de Transporte ..............................................................................................7
2.1.1 - Potenciais para a Transferência...............................................................................8
2.1.2 – Transferência de calor e massa...............................................................................9
2.1.2.1 - Transferência de Calor .....................................................................................9
2.1.2.2 - Transferência de Massa..................................................................................11
2.2 - Balanços Globais de massa e energia em Secadores ...................................................12
2.2.1 - Balanço de massa ..................................................................................................13
2.2.1.1 - Operação contínua..........................................................................................13
2.2.1.2 - Operação em batelada ....................................................................................14
2.2.2 - Balanço de Energia................................................................................................15
2.3 - Secador Rotatório com Cascateamento........................................................................15
2.3.1 - Introdução .............................................................................................................15
2.3.2 - Projeto dos Suspensores (flights) ..........................................................................18
2.3.2.1 - Quantidade de sólidos nos suspensores..........................................................19
2.3.2.2 - Comprimento e tempo de queda das partículas dos suspensores...................23
2.3.3 - Transporte das partículas.......................................................................................26
2.3.3.1 - Tempo de Residência das partículas. .............................................................27
2.3.4 - Transferência de Calor em Secadores Rotatórios com Contato Direto.................35
2.4 - Planejamento de Experimentos e a Metodologia da Superfície de Resposta...............42
CAPITULO 3..........................................................................................................................47
MATERIAIS E MÉTODOS..................................................................................................47
3.1 - Materiais.......................................................................................................................47
3.2 - Unidade Experimental.................................................................................................. 47
3.2.1 - O Secador Rotatório Convencional.......................................................................48
3.2.2 - Secador Roto-fluidizado........................................................................................49
3.3 - Metodologia para Caracterização do Derramamento de Sólidos dos Suspensores......51
3.4 - Metodologia Experimental...........................................................................................54
3.4.1 - Medidas de Temperatura.......................................................................................55
3.4.2 - Medidas de Vazão.................................................................................................55
3.4.3 - Medidas de Umidade.............................................................................................55
3.4.4 - Medidas do Tempo de Residência ........................................................................55
3.4.5 - Metodologia para Umedecimento do Fertilizante.................................................56
3.4.6 - Estudo das Condições Limites de Operação do Secador em Escala Piloto ..........56
3.4.7 - Avaliação do Número de Suspensores..................................................................57
3.4.8 - Medida do Coeficiente Dinâmico de Fricção do Fertilizante Superfosfato Simples,
da Quantidade de Carga e da Altura de Queda das Partículas para Cada Posição do
Suspensor:
.........................................................................................................................59
3.5 - Comparação entre o Desempenho do Secador Rotatório Convencional e o Secador
Roto-fluidizado.
....................................................................................................................62
CAPÍTULO 4..........................................................................................................................64
RESULTADOS.......................................................................................................................64
4.1 - Condições Limites de Operação para o Secador em Escala Piloto Estudado.............. 64
4.2 - Resultados para o Secador Rotatório Convencional.................................................... 65
4.2.1 - Avaliação do Número de Suspensores..................................................................65
4.2.2 - Coeficiente dinâmico de fricção............................................................................68
4.2.2 - Carga e comprimento de queda do fertilizante dos suspensores para diferentes
posições angulares destes.
................................................................................................71
4.2.3 - Análise do tempo médio de residência para o secador convencional com 7
suspensores.
......................................................................................................................75
4.3 - Comparação entre o desempenho dos dois tipos de secadores: Secador Rotatório
Convencional e Secador Roto-fluidizado.
............................................................................79
CAPITULO 5..........................................................................................................................94
CONCLUSÕES.......................................................................................................................94
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................96
i
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1: Consumo de fertilizantes no Brasil entre 1970 a 2003, ANDA (2003)...................3
Figura 1.2: Secador Rotatório Convencional. ............................................................................4
Figura 1.3: Visão interna do secador Roto-Fluidizado...............................................................6
Figura 2.1: Curvas típicas de secagem. ....................................................................................11
Figura 2.2: Esquema de um secador contínuo concorrente......................................................13
Figura 2.3: Balanço material no interior de secadores concorrente e contra corrente..............14
Figura 2.4: Secador operando em regime batelada...................................................................14
Figura 2.5: Fotografia do secador rotatório industrial com cascata. ........................................16
Figura 2.6: Secador rotatório com cascata. ..............................................................................16
Figura 2.7: Visão interna do secador rotatório. ........................................................................17
Figura 2.8: Esquemas comuns de suspensores encontrados na prática industrial....................18
Figura 2.9: Tipos comuns de suspensores. ...............................................................................19
Figura 2.10: Área ocupada pelos sólidos no suspensor............................................................22
Figura 2.11: Regiões de escoamento propostas por MATCHETT e BAKER (1987)..............31
Figura 3.1: Esquema da unidade experimental.........................................................................47
Figura 3.2: Fotografia da unidade experimental.......................................................................48
Figura 3.3: Esquema do secador rotatório na configuração convencional...............................49
Figura 3.4: Foto da região interna do secador rotatório convencional.....................................49
Figura 3.5: Esquema estrutural de um secador roto-fluidizado................................................50
Figura 3.6: Esquema do secador rotatório na configuração roto-fluidizado. ...........................50
Figura 3.7: Foto da região interna do secador roto-fluidizado. ................................................51
Figura 3.8: Esquema de um suspensor de 2 segmentos............................................................51
Figura 3.9: Vista típica da região interna do secador para medida do ângulo característico. ..60
Figura 4.1: Variação da taxa de secagem com o número de suspensores a diferentes rotações
..........................................................................................................................................66
Figura 4.2: Coeficiente dinâmico de fricção do superfosfato simples, com conteúdo de
umidade de 0,08 e 0,12 (base seca), em função da posição angular do suspensor.
..........69
Figura 4.3: Relação entre o ângulo característico(φ) e a razão entre as forças centrífuga e
gravitacional (R
0
N
2
R
/g), para µ = 0,994. ..........................................................................70
Figura 4.4: Efeito da umidade dos sólidos no coeficiente dinâmico de fricção. ......................70
Figura 4.5 : Fração de carga retida do suspensor em função de θ............................................72
Figura 4.6: Fração de material em queda devido a variação em θ. ..........................................72
Figura 4.7: Variação da carga de sólidos nos suspensores com a posição angular deste.........73
Figura 4.8: Comprimento de queda das partículas dos suspensores para diferentes posições
angulares deste.
.................................................................................................................74
Figura 4.9: Comparação entre o tempo de residência experimental e o calculado pelas
equações de FRIEDMAN e MARSHALL e PERRY e CHILTON.. ...............................77
Figura 4.10: Comparação entre o tempo de residência experimental e o calculado pelas
equações de SAEMAN e MITCHELL (1954) e GLIKIN (1978).
...................................78
Figura 4.11: Variação do parâmetro m’ (SAEMAN e MITCHELL, 1954) em relação a vazão
de ar.
.................................................................................................................................79
Figura 4.12: Relação entre os valores do tempo de residência preditos pela Equação 4.1 e os
observados experimentalmente para o secador rotatório convencional.
..........................82
Figura 4.13: Relação entre os valores do tempo de residência preditos pela Equação 4.2 e os
observados experimentalmente para o secador roto-fluidizado.
......................................82
Figura 4.14: Superfície de resposta para o tempo médio de residência no secador
convencional em relação à vazão de sólidos e a temperatura do ar, admensionalizados.
83
ii
Figura 4.15: Relação entre os valores da temperatura dos sólidos preditos pela Equação 4.7 e
os observados experimentalmente para o secador rotatório convencional.
......................85
Figura 4.16: Relação entre os valores da temperatura dos sólidos preditos pela Equação 4.8 e
os observados experimentalmente para o secador roto-fluidizado.
..................................85
Figura 4.17: Relação entre os valores da taxa de secagem dos sólidos preditos pela Equação
4.9 e os observados experimentalmente para o secador rotatório convencional.
.............88
Figura 4.18: Relação entre os valores da taxa de secagem dos sólidos preditos pela Equação
4.9 e os observados experimentalmente para o secador roto-fluidizado.
.........................88
Figura 4.19: Superfície de resposta para a taxa de secagem de sólidos no secador roto-
fluidizado em relação à temperatura (X
2
) e vazão de ar (X1). .........................................89
Figura 4.20: Relação entre os valores do coeficiente volumétrico de transferência de calor
preditos pela Equação 2.67 e os observados experimentalmente para o secador rotatório
convencional.
....................................................................................................................90
Figura 4.21: Relação entre os valores do coeficiente volumétrico de transferência de calor
preditos pela Equação 2.67 e os observados experimentalmente para o secador roto-
fluidizado.
.........................................................................................................................91
Figura 4.22: Relação entre os valores do coeficiente volumétrico de transferência de calor
preditos pela Equação 2.71 e os observados experimentalmente para o secador
convencional.
....................................................................................................................92
Figura 4.23: Relação entre os valores do coeficiente volumétrico de transferência de calor
preditos pela Equação 2.71 e os observados experimentalmente para o secador roto-
fluidizado.
.........................................................................................................................92
iii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1: Produção nacional de fertilizantes (em toneladas) ANDA (2003)..........................3
Tabela 2.1: Valores para k’ para diferentes suspensores..........................................................24
Tabela 2.2: Matriz de planejamento para realizar um planejamento composto central ...........45
Tabela 3.1: Propriedades físicas do fertilizante........................................................................47
Tabela 3.2: Níveis das variáveis para estudo do número de suspensores. ...............................57
Tabela 3.3: Condições de operação experimentais para avaliação do número de suspensores58
Tabela 3.4: Experimentos extras para avaliação do número de suspensores. ..........................58
Tabela 3.5: Níveis das variáveis para estudo do coeficiente de fricção. ..................................59
Tabela 3.6: Condições de operação para cálculo do coeficiente de fricção. ............................60
Tabela 3.7: Níveis das variáveis para comparação entre as duas configurações de secadores.62
Tabela 3.8: Experimentos para comparação entre o desempenho dos dois secadores.............63
Tabela 4.1: Limites de operação para rotação, vazão de ar e vazão de sólidos........................64
Tabela 4.2: Resultados experimentais para o estudo do efeito do número de suspensores......65
Tabela 4.3: Fração do volume do secador ocupada pelos sólidos para diferentes números de
suspensores.
......................................................................................................................67
Tabela 4.4: Ângulo característico para o fertilizante superfosfato simples..............................68
Tabela 4.5: Comprimento de queda e carregamento dos suspensores. ....................................71
Tabela 4.6: Resultados experimentais para o tempo de residência para o secador convencional
operando sem fluxo de ar.
................................................................................................75
Tabela 4.7: Resultados experimentais para o tempo médio de residência do secador rotatório
convencional.
....................................................................................................................76
Tabela 4.8: Resultados experimentais para o tempo médio de residência (T.M.R).................80
Tabela 4.9 - Resultados experimentais para a temperatura de saída do sólido ........................84
Tabela 4.10: Resultados experimentais para as taxas de secagem dos dois tipos de secadores.
..........................................................................................................................................87
Tabela 4.11. Parâmetros da Equação de FRIEDMAN e MARSHALL para cada tipo de
secador.
.............................................................................................................................90
Tabela 4.12: Parâmetros da Equação de McCORMICK para cada tipo de secador. ...............91
iv
NOMENCLATURA
a = número relacionado a velocidade da fase densa (Equação 2.48), -.
a
1
= intercepta a linha traçada pelo primeiro segmento OA (Figura 3.8), m.
a
2
= intercepta a linha traçada pelo segundo segmento AB (Figura 3.8), m.
a
F
= parâmetro definida pela Equação 2.73
a
r
= ângulo estático de repouso dos sólidos, radiano.
a
y
= parâmetro definido pela Equação 2.61.
A = área de troca térmica entre o ar e os sólidos, m
2
.
A
C
= área de troca térmica por convecção, m
2.
A
cd
= área perpendicular à transferência de calor por condução, m
2
.
N
A = parâmetro relacionado à carga do secador e ao diâmetro das partículas, m
-1
.
Ap = área superficial das partículas em queda em contato com o gás, m
2
.
At = área da seção transversal do secador, m
2
.
A
W
= coeficiente definido na Equação 3.13.
b
1
= inclinação da linha traçada pelo primeiro segmento OA (Figura 3.8), m.
b
2
- inclinação da linha traçada pelo segundo segmento AB (Figura 3.8), m.
Bi = número de Biot,-.
B
W
= coeficiente definido pela Equação 3.13.
c
p
= capacidade térmica do material a pressão constante, J/kgK.
c
pG
= calor especifico do gás de secagem, J/kgK.
c
M =
capacidade mássica a temperatura constante, kg/kg ºM.
c
ps
= calor especifico, a pressão constante, dos sólidos à serem secos, J/kg K.
C = coeficiente para o fluxo de calor ou massa, kg/m
2
sK ou J/m
2
sK.
C
W
= coeficiente definido pela Equação 3.13.
d = distância axial percorrida pela partícula, m.
d
Ci
= avanço do material por ciclo, m.
d
p
= diâmetro da partícula, m.
d
T
= dissipação térmica devida às forças viscosas, J/s m
3
.
D = diâmetro interno do secador, m.
D
0
= Diâmetro efetivo do secador, definido como a distância entre o centro do
cilindro e a ponta do suspensor, m.
e
rr
= erro aleatório.
v
f = coeficiente de arraste,-.
f
a
= fração de material em queda, -.
f
A
= fração da área transversal ocupada pelo gás, (-).
f(H*) = parâmetro relacionado a carga do secador (Equação 2.29), -.
F
m
= força motriz para o fluxo, K.
Fo = número de Fourier, -.
Fr = número de Froude, -.
F
s
= fluxo de massa de material seco na direção axial do secador, kg/s.
g = aceleração da gravidade, m/s
2
.
G = taxa mássica de ar seco, kg/s.
G
R
= grau de umidade, ºM.
h* = carga de sólidos no suspensor definida pelo projeto, kg.
h*
0
= valor de h* para θ = 0º.
h*
d
= carga de sólidos despejada dos suspensores, kg.
h
co
= coeficiente de transferência de calor entre uma partícula e o gás corrigido,
J/m
2
sK..
h
C
= coeficiente pelicular de transferência de calor por convecção, J/m
2
sK.
h
f
= coeficiente pelicular de transferência de calor, J/s m
2
K.
H = carga de sólidos no secador, kg.
H* = carga total de sólidos no secador definida pelo projeto, kg.
H
E
= Entalpia, J.
H
R
= definido como a razão H/H*.
H
1
= carga de sólidos na fase aerada, kg.
H
2
= carga de sólidos na fase densa, kg.
I* = parâmetro que depende da geometria do suspensor (Equação 2.53), m.
J = fluxo de massa, kg/m
2
s ou térmico, J/m
2
s.
k = parâmetro da Equação 2.31
k’ = parâmetro da Equação 2.21
k
p
= parâmetro da Equação 2.56.
k
pr
= parâmetro de proporcionalidade dependente do projeto dos suspensores e do
secador.
K = constante da Equação 2.36.
K
co
= fator de correção definido pelas Equações 2.87 e 2.88.
K
d
= parâmetro definido pela Equação 2.41.
vi
K
fall
= parâmetro relacionado ao fato das partículas caírem do suspensor de diferentes
posições, com diferentes tempos de queda.
K
ft
= parâmetro definido pela Equação 2.58.
K
F
= parâmetro definida pela Equação 2.67.
K
K
= parâmetro definido pela Equação 2.60.
K
m
= parâmetro da Equação 2.71.
K
M
= coeficiente para a “força motriz” com base na diferença de umidade, kg/s m
2
.
K
p
= coeficiente para a “força motriz” com base na diferença de pressão, kg/s m
2
Pa.
l = profundidade radial do suspensor, m.
l’ = altura da ponta do suspensor, m.
L = comprimento do secador, m.
m = parâmetro da Equação 2.33.
m
h
= razão entre a carga de operação do suspensor (h) e a carga obtida através do
projeto h*, -.
m
h0
= razão entre a carga do suspensor com a carga de projeto para θ = 0º.
m
p
= massa de uma única partícula, kg.
M = conteúdo de umidade do material em base seca, kg/kg.
M
G
= conteúdo de umidade do gás de secagem, base seca, kg/kg.
n´ = parâmetro da Equação 2.71 e 2.72.
n
F
= parâmetro definida pela Equação 2.67
n
p
= número de partículas em queda dos suspensores, -.
n
ph
= número efetivo de partículas em queda dos suspensores, -.
N = número de suspensores, -.
N = número médio de partículas em queda, -.
N
c
= número de ciclos de secagem, -.
N
m
= parâmetro da Equação 2.71.
N
R
= velocidade de rotação do tambor do secador, rpm.
p
c
= a porcentagem de carga (volume de material por volume do secador), %.
p
o
= porosidade do fluxo de partículas em queda, -.
p
s
= pressão de vapor na temperatura T
s
, Pa.
Pr = número de Prandt, -.
p
v
= pressão de vapor no gás de secagem, Pa.
Q = taxa de transferência de calor entre o gás e o sólido, J/s.
vii
q’ = geração de calor, J/s m
3
.
R = raio do secador, m.
R
0
= raio efetivo do secador, descrito pela ponta do suspensor (O) com o centro do
tambor giratório (Figura 3.8), radiano.
R
D
= taxa de partículas descarga dos sólidos dos suspensores por unidade de
comprimento do secador, kg/ms.
Re = número de Reynolds, -.
R
esi
= resposta do planejamento experimental.
S = área da seção transversal do suspensor ocupada pelos sólidos, m
2
.
S
pq
= área das partículas em queda dos suspensores, m
2
.
t = tempo, s.
t
Ci
= tempo de duração de um ciclo de secagem, s.
t
q
= tempo de queda das partículas dos suspensores, s.
t
qmax
= tempo de queda máximo das partículas dos suspensores, s.
q
t = tempo de queda médio das partículas dos suspensores, s.
T = temperatura absoluta, K.
T
G
= temperatura do gás de secagem, K
T
s
= temperatura dos sólidos, K.
∆T
lm
= médialogarítma de temperatura, K.
∆T
m
= médiade temperatura, K.
h
f
= coeficiente pelicular de transferência de calor, W/m
2
ºC.
U
LA
= coeficiente global de transferência de calor baseado no comprimento do
secador, W/mK.
U
V
= coeficiente global de transferência de calor baseado na área efetiva de contato
entre o gás e os sólidos, W/m
2
ºC.
U
VA
= coeficiente global de transferência de calor por convecção, W/m
3
ºC.
v = velocidade superficial do gás no secador,m/s.
q
v = velocidade médiade queda das partículas, m/s.
v
p
= é a velocidade da partícula (m/s),
v
r
= velocidade relativa entre o gás e a partícula, m/s.
V = volume do secador, m
3
.
V
1
= é a velocidade da partícula na fase aerada devido à força de arraste, m/s.
V
2
= velocidade da fase densa, m/s.
viii
Var Cód valor da variável codificada;
W = taxa de material seco, kg/s.
W
u
= taxa mássica de sólidos úmidos, kg/s.
W
T
= trabalho realizado, J.
x = distância em coordenada retangular, m.
x
2
= abscissa do ponto no segundo segmento AB (Figura 3.8), m.
x
A
= abscissa do ponto A, (Figura 3.8), m.
x
B
= abscissa do ponto B, (Figura 3.8), m.
x
W
= abscissa do ponto W, (Figura 3.8), m.
X
B
= abscissa do ponto para as coordenadas com centro no plano central do tambor,
m.
y = distância em coordenada retangular, m.
y
1
= ordenada do ponto no primeiro segmento OA (Figura 3.8), m.
y
2
= ordenada do ponto no segundo segmento AB (Figura 3.8), m.
y
A
= ordenada do ponto A, (Figura 3.8), m.
y
B
= ordenada do ponto B, (Figura 3.8), m.
y
W
= ordenada do ponto W, (Figura 3.8), m.
Y
B
= ordenada do ponto para as coordenadas com centro no plano central do tambor,
m.
Y
q
= comprimento de queda das partículas dos suspensores, m.
q
Y = comprimento médio de queda das partículas dos suspensores, m.
z = distância em coordenada retangular, m.
Símbolos Gregos
α = inclinação do secador, radianos.
α
A
= ângulo entre os segmentos do suspensor (Figura 3.8), radiano.
α
p
= nível extremos escolhidos pelo pesquisador para analisar as variáveis.
β = ângulo definido pela Equação 3.17.
β
0
= parâmetro (Equação 2.89).
β
1
= parâmetro (Equação 2.89).
β
2
= parâmetro (Equação 2.89).
β
12 =
parâmetro (Equação 2.89).
ix
δ = ângulo entre as coordenadas com centro no eixo central do tambor do cilindro e
com centro no topo do suspensor.
ε = porosidade do leito de sólidos, -.
φ = ângulo entre a superfície livre dos sólidos no suspensor e a horizontal.
Φ
c
= forca centrífuga, N.
Φ
g
= força gravitacional, N.
Φ
N
= força normal a superfície de deslizamento da partícula, N.
Φ
f
= força de fricção, N.
γ = ângulo entre o nível do material e o primeiro segmento AO, radiano.
η = ângulo dinâmico de repouso dos sólidos
λ = calor latente de vaporização, kJ/kg.
µ = coeficiente dinâmico de fricção da partícula, - .
µ
f
= viscosidade do gás, cp.
θ = ângulo submetido entre a ponta do suspensor e o plano horizontal que passa
centro do secador.
θ
= ângulo médio de quedadas partículas dos suspensores, radianos.
θ
N
= espaçamento entre s suspensores, radiano.
ρ = densidade, kg/m
3
.
ρ
b
= densidade bulk das partículas, kg/m
3
.
ρ
s
= densidade dos sólidos, kg/m
3
.
ρ
G
= densidade do gás de secagem, kg/m
3
.
σ = é o angulo de repouso dos sólidos, º.
τ = tempo de residência das partículas, min ou s.
τ
= tempo médio de residência, min ou s.
τ
co
= tempo necessário para as partículas ser coletado novamente pelo suspensor, s.
τ
g
= tempo de residência na fase aerada, s.
τ
s
= tempo de residência na fase densa, s.
ω = velocidade angular do secador.
ξ
i
= valor da variável não codificada;
ξ
(0) =
valor da variável não codificada referente ao nível central;
ξ
(1)
e ξ
(-1)
valores da variável não codificada referentes ao nível 1 e –1.
ψ = parâmetro definido pela Equação 2.24.
x
RESUMO
Este trabalho investigou o desempenho de duas configurações de secadores: o secador
rotatório convencional e uma nova configuração para o secador rotatório, o secador roto-
fluidizado. A nova configuração é constituída por um cilindro rotatório, igual ao do secador
convencional, com um sistema de fluidização interna. Sua concepção não convencional, além
de visar superar algumas limitações operacionais, teve como motivação o melhor contato
fluido-partícula proporcionado pelo sistema de fluidização, esperando-se desta forma,
aumentar os coeficientes de transferência de calor e massa e, como conseqüência, possibilitar
a redução do consumo energético. A investigação do desempenho dos secadores foi realizada
através de testes de secagem com o fertilizante superfosfato simples granulado, devido a sua
produção ser de grande importância industrial e sua secagem, usualmente, ser efetuada em
secadores do tipo rotatório. Inicialmente foi realizado um estudo para o secador rotatório
convencional visando analisar as seguintes variáveis de processo: rotação do cilindro do
secador, vazão de sólidos e número de suspensores, sendo encontrado um valor ótimo de 7
suspensores para o secador rotatório convencional. Estando o secador rotatório convencional
em sua melhor configuração de operação foram realizados testes para obtenção de
informações importantes da operação deste. A principio o fertilizante superfosfato simples,
teve seu ângulo dinâmico de repouso (µ) obtido experimentalmente, com o propósito de
analisar o efeito dos suspensores sobre a fluidodinâmica das partículas no secador rotatório
convencional. Por meio de equações próprias e com o valor de µ foi realizada a análise da
quantidade de material transportado pelos suspensores, do comprimento médio de queda e da
posição angular média de queda das partículas dos suspensores. Realizou-se um planejamento
experimental visando comparar o desempenho dos dois secadores rotatórios e estudar a
influência de diferentes variáveis. Os resultados mostraram, que para as mesmas condições
experimentais, o secador roto-fluidizado apresentou temperaturas de saída do sólido em média
22,6 ºC superiores aos do secador convencional. Para a taxa de secagem, o resultado foi 3,6
vezes maior para o secador roto-fluidizado. Através dos resultados obtidos neste estudo, pôde-
se concluir que o novo equipamento além de possuir maiores taxas de secagem em mesmas
condições operacionais, permite a operação com uma menor vazão de ar, possibilitando a sua
aplicação na secagem de partículas mais finas que as usualmente utilizadas, as quais poderiam
ser arrastadas no secador rotatório convencional
Palavras chaves: secagem, secador roto-fluidizado, fertilizantes
xi
ABSTRACT
This work has investigated the performance of two drier configurations: the
conventional rotary drier and a new configuration for the rotary drier, the roto-fluidized drier.
The new configuration of the rotary drier is constituded by a rotary cylinder, same as used in
the conventional drier, with an internal fluidization system. Its non-conventional conception,
besides aiming to overcome some operational limitations, has had as motivation a better fluid-
particle contact, allowed by the fluidization system, expecting this way, to increase the heat
and mass transfer coeficients and, as a consequence, allow an energy consumption reduction.
The investigation of the driers performance was accomplished by doing trials, drying the
granulated simple superfosfate fertilizer, because of its great importance in the industrial
production and because its drying is usually done in rotary driers. Initially, a study was done
for the convenional rotary drier, aiming to analyse the following process variables: rotation of
the drier cylinder, solids flow and number of flights. An ideal number of 7 flights has been
found for the conventional rotary drier. Once setting the conventional rotary drier in its ideal
operational configuration, several trials have been done in order to obtain important
information of its operation. At first, the simple superfosfate fertilizer has had its dynamic
angle of repose (µ) experimentaly obtained, with the purpose of analysing the effect of the
flights over the particles fluidynamics in the conventional rotary driers. By using the proposed
equations and the value of µ, the following analyses have been done: quality of the material
conveyed by the flights, average length of the flights particle fall and the average angular
position of the flights particle fall. In order to compare the two driers, an experimental
planning was done, trying to compare the performance of both rotary driers and study the
influence of different variables. The results have shown that, for the same experimental
conditions, the roto-fluidized drier presented outlet solids temperature in average 22.6ºC
(40.7ºF) above the conventional drier. For the drying rate, the result was 3.6 times higher for
the roto-fluidized drier. With the results obtained from this work, it was possible to conclude
that the new equipment, besides presenting higher drying rates in the same drying conditions,
allows the operation with a lower air flow, turning possible its aplication in the drying of
particles even smaller than the ones currently used, which could be dragged in the
conventional rotary drier.
Key words: drying, roto-fluidized drier, fertilizers
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 - Fertilizantes
O solo é o recurso natural que por milhares de anos vem sendo empregado direta e
indiretamente como o principal sustento das plantas, que são fontes de alimento para os
animais (incluído o homem). Muitos solos, especialmente aqueles dos trópicos úmidos, são
por natureza pobres em nutrientes. Para a correção deste tipo de solo são usados fertilizantes,
naturais ou artificiais, que possuem elementos químicos e propriedades físicas que aumentam
o crescimento e a produtividade das plantas, melhorando a natural fertilidade do solo ou
devolvendo os elementos retirados do mesmo pela erosão ou por culturas anteriores
(CADERNO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA, CC&T, 2002).
1.2 - Histórico da Produção de Fertilizantes no Brasil
Em 1950, iniciou-se a produção nacional de fertilizantes. Esta produção representou
cerca de 8% do consumo total de fertilizantes no Brasil. Na segunda metade dos anos 60, a
estrutura industrial do setor ampliou-se com a implantação de novas unidades produtoras de
superfosfato simples: Ferticap, Copebrás e IAP e do complexo de fertilizantes da Ultrafértil.
Em 1974 o consumo de fertilizantes era de 1,683 milhões de toneladas de nutrientes. No
período de 1974/80, a produção brasileira de nitrogênio e fósforo saltou de 487 mil toneladas
de nutrientes para 1,959 milhões de toneladas, o que representou um acréscimo de 302%. Na
Figura 1.1 é mostrado o consumo de fertilizantes no Brasil de 1970 até 2003 (CADERNO DE
CIÊNCIA E TECNOLOGIA, CC&T, 2002).
Assim, partindo em 1950 de um nível de atendimento às necessidades de consumo
interno em nutrientes de cerca de 8%, o setor de fertilizantes, em 1980, já foi responsável pelo
atendimento de quase 50% do consumo nacional. A partir de 1981, quando as metas do
PNFCA (Programa Nacional de Fertilizantes de Calcário) foram tidas como alcançadas,
iniciou-se uma nova fase de desenvolvimento da indústria de fertilizantes no Brasil. Em 1990,
a capacidade de produção foi correspondente a 59% do consumo nacional.
O Brasil produziu em 2002 cerca de 9,4 milhões de toneladas de fertilizantes. As vendas
atingiram 19,1 milhões de toneladas. No período de janeiro a novembro do ano de 2003 as
2
vendas de fertilizantes totalizaram 22,356 milhões de toneladas, um volume 16,7% maior na
comparação com o mesmo período do ano de 2002, quando o setor comercializou 19,157
milhões de toneladas, batendo um novo recorde. Na Tabela 1.1 encontram-se dados referentes
à produção nacional mensal de fertilizantes de 2000 a 2003 (ASSOCIAÇÃO NACIONAL
PARA DIFUSÃO DE ADUBOS, ANDA, 2003).
7
0
/
7
1
7
4
/
7
5
7
8
/
7
9
8
2
/
8
3
8
6
/
8
7
9
0
/
9
1
9
4
/
9
5
9
8
/
9
9
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2
/
0
3
P
erí
o
d
o
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Consumo em milhões de toneladas de fertilizantes
Figura 1.1: Consumo de fertilizantes no Brasil entre 1970 a 2003, ANDA (2003).
Tabela 1.1: Produção nacional de fertilizantes (em toneladas) ANDA (2003).
2000 2001 2002 2003 2003 x 2002
Janeiro 591.979 500.035 576.212 603.167 4,7%
Fevereiro 447.796 450.962 559.473 565.479 1,1%
Março 585.355 529.751 594.979 628.948 5,7%
Abril 581.178 525.003 646.715 633.910
- 2,0%
Maio 645.899 620.154 765.236 724.243
- 5,4%
Junho 668.891 595.320 749.981 719.808
- 4,0%
Julho 721.313 798.702 752.967 865.168 14,9%
Agosto 789.381 809.621 754.741 945.696 25,3%
Setembro 843.271 805.571 735.588 961.718 30,7%
Outubro 889.338 756.214 753.781 919.517 22,0%
Novembro 689.851 707.144 674.329 881.684 30,7%
Dezembro 530.879 498.802 507.154 790.873 55,9%
Total 7.985.131 7.597.279 8.071.156 9.240.211 14,5%
3
1.3 - Secagem de Fertilizantes
Na fabricação de fertilizantes, uma das etapas mais importantes e que requerem maiores
gastos é operação de secagem. A secagem pode ser definida como a remoção de umidade de
uma substância qualquer. Na maioria dos processos industriais, com sólidos dos mais diversos
tipos, a substância volátil é a água, que é transformada em vapor pelo aquecimento e arrastada
pelo ar. No processo de secagem a água pode ser eliminada por meios mecânicos, por
radiação eletromagnética ou por meios térmicos, sendo estes últimos os mais encontrados na
indústria.
Os motivos para a secagem são muitos, de econômicos a atendimento de especificações,
muitas vezes ela é realizada para a armazenagem do material em condições adequadas para
manutenção e conservação da qualidade. A secagem facilita o transporte e o manuseio devido
a perda de massa e, muitas vezes, de volume do material. Alguns materiais ganham valor
agregado quando secos, por atenderem melhor suas funções como combustível e/ou matéria
prima (KEEY, 1972).
Os equipamentos responsáveis pela secagem são os secadores. Os secadores não
somente são onerosos em termos de capital (investimento), mas também nas quantidades de
energia consumidas durante a sua operação. Existem muitos tipos de secadores na prática
industrial, cada um com suas próprias especificações de uso e operação. Um tipo comum é o
secador rotatório (Figura 1.2), muito utilizado industrialmente na secagem de fertilizantes.
Figura 1.2: Secador Rotatório Convencional.
4
O secador rotatório é constituído por um cilindro um pouco inclinado em relação à
horizontal, que gira em torno de seu eixo longitudinal. O comprimento do cilindro
normalmente varia de duas a dez vezes o seu diâmetro, que pode medir de 0,2 a mais de 3 m
(BAKER, 1983). O material úmido é introduzido na entrada superior do secador e o produto
seco é retirado na parte inferior na outra extremidade. Dentro da armação cilíndrica, o secador
é equipado com suspensores (
flights). No secador rotatório, os sólidos são apanhados por estes
suspensores e são transportados por uma certa distância ao redor da periferia antes de caírem
em cascata através de uma corrente de gás quente. Na maioria dos casos, a secagem acontece
durante este período, quando os sólidos entram em contato íntimo com o gás. A ação dos
suspensores também é em parte responsável pelo transporte das partículas ao longo do
secador.
O secador rotatório é muito usado industrialmente por apresentar uma serie de
vantagens: ele é simples e versátil, servindo para a secagem de uma grande variedade de
materiais, temperaturas e quantidades a custos normalmente baixos comparados com outros
secadores, principalmente para grandes quantidades de material; pode ser construído para
secagem de poucas centenas de quilogramas até aproximadamente 200 t/h. Estes secadores,
são indicados para secagem de materiais granulados de escoamento livre, sendo bastante
empregados na secagem de sais, fertilizantes e areia (NONHEBEL e MOSS, 1971, e PERRY
e GREEN, 1999).
Como regra geral, nos secadores rotatórios de contato direto são necessárias elevadas
velocidades do gás (FOUST et al., 1982). Portanto, o emprego desses secadores para sólidos
constituídos de partículas muito finas, possivelmente provocará perdas excessivas por arraste
na corrente gasosa. Estes equipamentos também não possuem desempenho satisfatório na
secagem de materiaiscoesivos, lamas e pastas.
1.4 - Objetivo do Trabalho
O objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento de um secador rotatório
convencional aplicado à secagem de fertilizantes. Para isto foram analisados equacionamentos
para predição da carga e do comprimento médio de queda das partículas de suspensores de
dois seguimentos para diferentes posições angulares deste. Foi também analisada a influência
dos suspensores no tempo de residência e na taxa de secagem, bem como avaliadas as
predições de algumas correlações da literatura para o tempo de residência do secador
rotatório.
5
Um outro objetivo do atual trabalho, foi comparar o desempenho do secador
convencional com uma configuração não convencional deste equipamento: o secador roto-
fluidizado. Esta configuração foi proposta visando superar algumas das limitações do secador
rotatório. A estrutura do tambor rotatório é a mesma neste novo equipamento. A diferença
deste equipamento não convencional está na alimentação de ar, que é feita por um duto
central, sendo distribuído, a partir deste, em diversos tubos menores em contato direto com o
sólido, Figura 1.3. A concepção deste equipamento não convencional teve como motivação o
melhor contato fluido-partícula proporcionado pelo sistema de fluidização, aumentando, desta
forma, os coeficientes de transferência de calor e massa e, como conseqüência, possibilitando
a redução do consumo energético e diminuição do arraste de partículas finas.
Figura 1.3: Visão interna do secador Roto-Fluidizado.
6
CAPÍTULO 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Como a necessidade da secagem existe há muitos anos, vários processos já foram
desenvolvidos e aprimorados pelo homem. Através da história, a energia do sol e o vento já
foram os principais elementos de secagem. Apesar de usados até hoje em algumas
circunstâncias, esses métodos são lentos e imprecisos para as necessidades de secagem cada
vez mais vigorosas e em maiores quantidades. O vento atmosférico foi substituído pela
passagem forçada de ar e a energia solar por outras fontes de calor. Os avanços científicos
permitiram a criação de equipamentos cada vez melhores, indo dos rudimentares fornos da
Idade do Ferro aos modernos secadores por infravermelho e microondas (KEEY, 1972).
No processo de secagem a água pode ser eliminada por meios mecânicos, por radiação
eletromagnética ou por meios térmicos. Os equipamentos mais encontrados na indústria são
os que efetuam a secagem por meios térmicos que podem, muitas vezes, serem classificados
pelo tipo de transmissão de calor utilizado: por condução, por convecção e por radiação. A
secagem pode ser em batelada (ou lotes de material) ou em processos contínuos. A secagem
também é classificada de acordo com as condições usadas para adicionar calor e extrair o
vapor de água: contato direto ou por contato indireto do ar.
A secagem é um assunto verdadeiramente abrangente, um processo extremamente
energético. A implementação de um projeto em escala industrial com equipamentos de
secagem modernos com alta eficiência térmica é de grande importância. A análise teórica e o
posterior projeto de uma planta de secagem é bastante complicado por uma série de fatores,
daí a grande importância do estudo dos conceitos, fenômenos e equipamentos que
caracterizam este processo.
2.1 - Fenômenos de Transporte
O estudo do mecanismo de secagem tem como base os fundamentos dos fenômenos de
transporte. O referente trabalho tem como objetivo o estudo da secagem em diferentes
secadores rotatórios, daí a importância do conhecimento de alguns fundamentos da
transferência de calor e massa.
7
Em geral, no processo de secagem tanto as condições externas ao material quanto
condições internas da estrutura do material exercem considerável influência. A influência
desses fatores é diferente para cada período de secagem. No período de taxa constante a
transferência de calor e massa depende principalmente do mecanismo de transporte na
camada superficial do material úmido, já no período de taxa decrescente o fator de controle é
a resistência interna ao transporte de umidade no material.
2.1.1 - Potenciais para a Transferência
Na maioria dos processos de secagem pode-se descrever a transferência de calor e
massa em termos de diferenças de potenciais. O potencial para a transferência de calor é o
gradiente de temperatura. O calor escoa sempre do corpo (material) mais quente para o mais
frio, mesmo que o corpo mais frio tenha maior entalpia. A quantidade de calor transferido e as
variações de temperatura são inversamente proporcionais as suas capacidades térmicas. Essas
propriedades podem ser relacionadas pela definição da capacidade térmica a pressão
constante, segundo a Equação 2.1:
E
p
P
H
c
T
∂
⎛
=
⎜
∂
⎝⎠
⎞
⎟
(2.1)
em que c
p
(J/kg K) é a capacidade térmica do material a pressão constante, H
E
entalpia e T é a
temperatura dada em unidade absoluta, K ou R (KEEY, 1972).
Na transferência de massa, a determinação do potencial não é tão evidente. Uma escala
de umidade pode ser encontrada por analogia à escala de temperatura. A capacidade mássica
de um corpo é dada pela variação isotérmica do conteúdo de umidade em relação ao grau de
umidade, conforme a Equação 2.2:
M
R
T
M
c
G
⎛⎞
∂
=
⎜⎟
∂
⎝⎠
(2.2)
onde c
M
(kg/kg ºM) é a capacidade mássica a temperatura constante e G
R
o grau de umidade
(ºM). A diferença de potencial para a transferência de massa é então o grau de umidade.
Materiais com umidades iguais podem ter transferência de massa, a umidade pode até passar
de um corpo menos úmido para um de maior umidade, porém a transferência de umidade
sempre acontecerá do corpo de maior grau de umidade para o de menor grau.
O grau de umidade foi definido por LUIKOV (1966) usando celulose como corpo
padrão por, entre outros fatores, ter alta higrocapacidade e ser facilmente umedecida. A escala
8
foi escolhida de tal forma que, para o sólido totalmente seco o valor do grau de umidade é 0
ºM, e completamente saturada, mas sem umidade não ligada, é 100 ºM. A capacidade mássica
do material padrão pode então ser definida como 1 centésimo da umidade máxima, de acordo
com a Equação 2.3:
00
00
( )*100
R
MMax
MM
G
cM
== (2.3)
onde o sobrescrito 0 indica o material padrão. As capacidades mássicas médias de outros
materiais podem ser encontradas dividindo-se a umidade pelo grau de umidade. Portanto, a
umidade pode ser comparada à entalpia na transferência de calor e o grau de umidade à
temperatura (KEEY, 1972).
2.1.2 – Transferência de calor e massa
De maneira geral, a secagem consiste na transferência de calor e massa entre duas
regiões distintas. O calor é adicionado ao material úmido para que a transferência de massa
seja acelerada, quanto maior a temperatura maior será a taxa de transferência de massa.. O
conhecimento das taxas de transferência, ou fluxo de massa e calor, é de grande importância
para o estudo da secagem.
Os fluxos podem ser definidos como:
m
CF=J (2.4)
onde J representa o fluxo de massa (kg/m
2
s) ou térmico (J/m
2
s), F
m
é a força motriz para o
fluxo e C o coeficiente para o fluxo de calor ou massa.
Para o fluxo de calor, a força motriz é o gradiente de temperatura, e o coeficiente de
transferência depende do modo de transferência: condução, convecção ou radiação. Esse
coeficiente pode ainda ser específico para cada tipo de secador, englobando os três modos de
transferência, quando presentes. A determinação dos coeficientes de transferência de calor é
apresentada por diversos autores e depende de diferentes situações. KEEY (1972) apresenta
valores e equações para os coeficientes de transferência em situações comuns de secagem.
2.1.2.1 - Transferência de Calor
Na prática o mecanismo predominante no caso da secagem com contato direto entre o
agente de secagem e o material a ser seco é o convectivo. Para secagem indireta, onde o
9
material é aquecido por meio de uma parede o mecanismo predominante é o condutivo. Para
operações com o agente de secagem à temperatura superior a aproximadamente 323 K pode
haver considerável transferência de calor por radiação tanto na secagem direta como na
indireta (BAKER 1983).
(a) - Radiação
A radiação é ocasionalmente o mecanismo predominante na transferência de calor em
alguns tipos de secadores (exemplo, secadores com infravermelho) mas na maioria dos casos
ela tem uma pequena participação. A contribuição da radiação nos secadores condutivos ou
convectivos é muitas vezes incluída como correção nas equações destes modelos.
O efeito da radiação sobre a superfície do material em processos de secagem faz com
que a taxa de secagem seja um pouco maior do que a taxa predita apenas pelos mecanismos
de convecção e condução (NONHEBEL e MOSS, 1971).
A troca de calor por radiação ocorre entre corpos sem contato físico. Quando aquecido o
material emite radiação eletromagnética que pode ser absorvida, refletida ou passar através de
outro material.
(b) Condução
Condução é a transferência de calor de uma parte do corpo para outra, ou de um corpo
para outro em contato físico, sem que ocorra deslocamento apreciável de partículas. Na
secagem por condução o sólido úmido é aquecido por meio de uma parede, então o líquido é
evaporado e deixa o sólido como vapor. Neste tipo de secagem os secadores são
freqüentemente operados a pressão reduzida com a finalidade de reduzir a temperatura de
bolha do líquido e aumentar a diferença de temperatura entre a parede aquecida e o sólido.
(c) - Convecção
A convecção é a transferência de calor entre diferentes pontos por movimento de
porções do fluido, sendo limitada a fluidos não estacionários. Quando o movimento entre as
porções do gás se deve somente à diferença de densidade, causada pela diferença de
temperatura, a convecção é denominada natural. Se esses movimentos forem causados por
10
agentes externos, a convecção é denominada forçada. Em fluidos escoando a baixas
velocidades, as duas contribuições são relevantes (PERRY e GREEN, 1999).
A convecção é o mecanismo de transferência de calor predominante em casos onde o
material úmido é seco pela passagem de um gás aquecido sobre sua superfície. O gás quente
transfere calor por convecção ao sólido e retira o conteúdo do líquido que evapora
(NONHEBEL e MOSS, 1971).
Mediante simplificações, a transmissão de calor por convecção do sólido para o fluido
pode ser dada da pela Equação 2.5:
(
CC s G
QhATT
)
=
− (2.5)
onde Q (J/s) é a taxa de calor transferido, A
C
é a área de troca térmica por convecção, h
C
(J/m
2
s K) é o coeficiente pelicular de transferência de calor por convecção e T
s
e T
G
(K) as
temperaturas do sólido e do fluido, respectivamente (CRISTO, 2004).
2.1.2.2 - Transferência de Massa
O processo de secagem consiste na transferência de um líquido de uma região para
outra. Esta transferência de massa envolve cálculos das propriedades de transporte, como a
difusividade, além de outros fatores empíricos que são encontrados para relacionar a taxa de
transferência de massa com as “forças motrizes” envolvidas no processo de secagem.
Um processo de secagem pode sem bem ilustrado por curvas que relacionam: o
conteúdo de umidade do material em função do tempo de secagem, a taxa de secagem em
função do tempo de secagem, a taxa de secagem em função do conteúdo de umidade do
material (curva da taxa de secagem) e a temperatura do material em função do conteúdo de
umidade do material (curva de temperatura).
Na Figura 2.1 são apresentadas curvas típicas de secagem.
11
Figura 2.1: Curvas típicas de secagem.
Como observado na Figura 2.1 (a), inicialmente a taxa de secagem é constante
(seguimento de A para B) e então para um determinado tempo começa a diminuir e continua
progressivamente até zero quando o material é completamente seco. No período de taxa
constante a chamada água não ligada (quantidade de água que não está em contato direto com
a superfície do material) é removida. A secagem permanece no período constante enquanto a
taxa de migração da água no interior do material não limitar o processo. Quando o calor é
fornecido por convecção, este período também é conhecido como secagem com a superfície
do material na temperatura de bulbo úmido. A taxa de secagem é praticamente a mesma da
evaporação de um espelho d’água sobre uma superfície que não exerce influência sobre os
mecanismos de transferência de massa.
Na etapa de taxa de secagem constante a difusão de vapor do filme de água até o fluxo
de gás é proporcional a quantidade de calor fornecido do gás para o material. Assim a
superfície do material tende a assumir a temperatura de bulbo úmido do ar, correspondente à
temperatura, umidade e quantidade do gás de secagem. Se a quantidade e condições do gás de
secagem permanecerem constante durante o período de taxa de secagem constante, a
temperatura superficial do material sendo seco também será constante. Correspondentemente,
a pressão parcial e umidade da superfície serão a pressões parcial de saturação e umidade de
saturação na temperatura de bulbo úmido (NONHEBEL e MOSS, 1971).
Quando a superfície do material não pode mais se manter saturada, começa a secagem
em período de taxa decrescente, de B para C da Figura 2.1 (a). Como grande parte da água
que restou no sólido se localiza dentro de poros e interstícios, a taxa de secagem no período
decrescente é controlada pela migração do líquido da região interna do material até sua
superfície, onde a evaporação ocorre. Como a interação do líquido com o sólido se torna
representativa, a taxa de secagem diminui. O formato da curva varia de acordo com o
material. Materiais com poros que suportam grandes quantidades de água podem ter ainda,
12
por algum tempo, uma secagem rápida, enquanto materiais de poros estreitos, em que toda a
água contida está em contato íntimo com as paredes do material, apresentam uma taxa de
secagem muito lenta.
A transição do período de taxa de secagem constante para a decrescente normalmente
não é feita de forma rápida, ocorrendo uma transição suave representada pelo segmento curvo.
A umidade neste região (ponto B na Figura 2.1 (b)) é denominada de umidade crítica
(NONHEBEL e MOSS, 1971).
2.2 - Balanços Globais de massa e energia em Secadores
2.2.1 - Balanço de massa
O balanço de massa pode ser realizado em dois grupos, de operação em regime batelada
ou regime contínua, sendo o último tipo classificado de acordo com o sentido das correntes de
gás e solidos, em concorrente ou contra-corrente.
2.2.1.1 - Operação contínua
Na operação contínua, todas as propriedades são constantes ao longo do tempo, e o
equacionamento do processo de secagem é bastante simples.
Figura 2.2: Esquema de um secador contínuo concorrente.
G, M
G1
G, M
G2
W, M
2
W, M
1
13
O balanço global de massa para a água para esse tipo de secador é dado pela Equação
2.6:
12 2 1
()(
GG
WM M GM M )
−
=− (2.6)
onde W e G (kg/s) representam as taxas em massa de sólidos e ar seco, respectivamente, M e
M
G
(base seca, kg/kg) são as umidades em base seca dos sólidos e ar, respectivamente, 1
indica entrada e 2 indica saída. Essa equação pode ser utilizada tanto para o sistema contra-
corrente quanto para o sistema concorrente. Porém quando se é necessário uma análise mais
detalhada dos valores no interior do secador, o balanço deve ser feito de forma diferente para
as duas opções de corrente (Figura 2.3). As Equações 2.7 e 2.8 mostram os balanços para
fluxos concorrente e contra-corrente, respectivamente:
Figura 2.3: Balanço material no interior de secadores concorrente e contra corrente.
11
()(
ii Gi Gi
WM M GM M
++
)
−
=− (2.7)
11
()(
ni ni Gi Gi
WM M GM M
−−+ +
)
−
=− (2.8)
2.2.1.2 - Operação em batelada
Na operação em batelada, a modelagem é mais difícil, pois as propriedades, como a taxa
de secagem e umidades, variam ao longo do tempo e posição. A solução é fazer o balanço
diferencial em torno de um elemento de umidade uniforme (Figura 2.4). A quantidade de água
evaporada por unidade de área do sólido é igual a soma da umidade que sai do elemento mais
a quantidade absorvida pelo ar no elemento. Na Equação 2.15, é mostrado como se faz o
balanço para o regime em batelada (KEEY, 1972).
14
Área
livre
ε
A
Sólidos
(1
-
ε
)A
Figura 2.4: Secador operando em regime batelada.
((1)) ( )(
z
sGG
)
GA
M
Az M Gz M f Az
tt
ρε ρ
∂∂∂
−= +
∂∂∂
(2.9)
onde: t (s) é o tempo, M e M
G
(-) são as umidades do sólido e do gás de secagem, ρ
s
e ρ
G
(kg/m
3
) as densidades do sólido e do gás, A (m
2
) a área de contato gás-sólido, ε é a
porosidade do leito de sólidos, f
A
(-) a fração da área transversal ocupada pelo gás, G (kg/s) a
taxa de gás e z (m) a posição em coordenadas cartesianas. Essa equação pode ser rearranjada
dividindo todos os termos pelo volume Az:
(1 )
G
sA GA
G
M
M
MG
f
tAz t
ρ
f
ρ
∂
∂
∂
−=+
∂
∂∂
(2.10)
2.2.2 - Balanço de Energia
Igualmente ao balanço de massa, o balanço de energia é descrito pela lei da
conservação. Em condições normais de operação, os valores de energia cinética, potencial e
de superfície da entradas e saída são muito pequenos comparados com os demais (KEEY,
1972). O balanço de energia, portanto, é:
2
1
'''
TE
QW H H+= −
∑∑ ∑ ∑
'
E
(2.11)
onde Q indica energia fornecida por uma determina fonte de calor, W
T
trabalho, H
E
entalpia, 1
e 2 entrada e saída respectivamente e o sobrescrito (´) indica que essas energias podem ser
medidas por unidade de comprimento (J/m), área (J/m
2
), volume (J/m
3
), massa (J/kg) ou
valores absolutos (J) de acordo com a conveniência do estudo.
2.3 - Secador Rotatório com Cascateamento.
15
2.3.1 - Introdução
Um típico secador rotatório com cascateamento é ilustrado nas Figuras 2.5 e 2.6.
Consiste basicamente de uma armação cilíndrica, inclinada em um pequeno ângulo em
relação a horizontal (menor ou igual a 5º), que gira em torno de seu eixo longitudinal. O
comprimento do cilindro normalmente varia de quatro a dez vezes o seu diâmetro, que pode
medir 0,2 m a cerca de 3 m (PERRY e GREEN, 1999).
Dentro da armação cilíndrica, este secador é equipado com suspensores (flights). No
secador rotatório, os sólidos são apanhados pelos suspensores e transportados por uma certa
distância ao redor da periferia antes de caírem em cascata através de uma corrente de ar
quente (Figura 2.7). Na maioria dos casos, a secagem acontece durante este período, quando
os sólidos entram em contato direto com o ar. A ação dos suspensores também é em parte
responsável pelo transporte das partículas pelo secador.
Figura 2.5: Fotografia do secador rotatório industrial com cascata.
16
Figura 2.6: Secador rotatório com cascata.
Figura 2.7: Visão interna do secador rotatório.
De acordo com as condições operacionais o secador rotatório pode ser classificado de
diferentes maneiras: pode ser de contato direto (quando o calor é fornecido diretamente ao
17
material a ser seco) ou indireto (quando o gás quente está separado fisicamente do sólido por
uma parede, geralmente metálica). Normalmente os secadores rotatórios operam em regime
contínuo. A direção do fluxo do gás, em relação aos sólidos é determinada em grande parte
pelas propriedades do material a ser seco. No processamento de materiais termicamente
sensíveis e em casos onde é preciso uma secagem rápida no início do processo, normalmente
o fluxo é concorrente. Porém com outros materiais é possível tirar proveito, devido a uma
eficiência térmica mais alta, com o uso de fluxo contra-corrente (BAKER, 1983).
O secador rotatório com contato direto é indicado para o manejo de sólidos
relativamente grossos de qualquer formato em fluxo livre. Uma alimentação contínua, de até
100 toneladas por hora, pode ser facilmente e confiavelmente processada. Além disso, a
versatilidade deste tipo de secador permite sua utilização para muitas condições de tamanho
de partícula e conteúdo de umidade (BAKER, 1983).
A aplicação dos conceitos científicos para o projeto de secadores rotatórios foi, de
maneira geral, descrita por REAY (1979). Este autor concluiu que qualquer metodologia de
estudo dos processos que acontecem em um secador rotatório deve estar baseada em dois
modelos. O primeiro incorpora uma descrição da cinética de secagem do material, incluindo
dados de umidade de equilíbrio dos sólidos, determinações experimentais de um grupo de
curvas de secagem obtidas sob condições que se aproximam ao máximo do projeto proposto,
e finalmente, uma técnica satisfatória para transformar o grupo de curvas de secagem para
outras condições operacionais. A segunda exigência é um modelo de transporte das partículas.
Para o projeto e operação de secadores rotatórios predominam diversas variáveis
independentes características, tais como: característica do material alimentado, taxa de
alimentação e temperatura do material a ser seco, taxa e temperatura do ar ou gás de secagem,
diâmetro, comprimento, inclinação, taxa de rotação, capacidade dos suspensores e número de
suspensores do secador. Todas estas variáveis afetam a transferência de calor no interior do
secador, e todas exceto a temperatura do ar e do material afetam a carga e o tempo de
passagem dos sólidos pelo secador (SAEMAN e MITCHELL, 1954).
2.3.2 - Projeto dos Suspensores (flights)
Conforme mencionado anteriormente, a maioria dos secadores rotatórios com
aquecimento direto possui suspensores com o objetivo de promover um contato mais íntimo
entre os sólidos úmidos e os gases quentes. As Figuras 2.8 e 2.9 ilustram vários tipos de
suspensores e suas características serão discutidas posteriormente. Um determinado secador
18
pode incorporar um ou mais tipos diferentes de suspensores. Na maioria dos casos, a
profundidade do suspensor está entre D/l2 a D/8, onde D é o diâmetro do secador (PERRY e
GREEN, 1999).
Figura 2.8: Esquemas comuns de suspensores encontrados na prática industrial.
(a) reto
(b) ângulo reto
(c) angular
(e) C .B .D
(f) Sem i-circular(d) E .A .D
(a) reto
(b) ângulo reto
(b) ângulo reto
(c) angular
(c) angular
(e) C .B .D
(f) Sem i-circular(d) E .A .D
Figura 2.9: Tipos comuns de suspensores.
Os suspensores retos (Figura 2.9a) geralmente são empregados na secagem em casos
onde o material sólido é pegajoso e adere nas paredes internas do tambor. Eles são geralmente
situados imediatamente à alimentação e podem ser usados para introduzir os sólidos úmidos
dentro do secador (obs: os suspensores situados logo após a alimentação dos sólidos, podem
ser um pouco inclinados para promoverem rápida entrada dos sólidos no secador, evitando
acúmulo e eventual retorno de material). Para sólidos menos aderentes os suspensores podem
ser angulares ou de ângulo-reto.(Figuras 2.9b e 2.9c). Os suspensores das Figuras 2.9 a, b, e c
são os geralmente usados em processos industriais.
Alguns projetos de suspensores foram propostos com base teórica, particularmente por
KELLY (1968), com o objetivo de melhorar o desempenho dos secadores. Estes incluem
suspensores de igual distribuição angular (EAD) (Figura 2.9d) e os suspensores de
distribuição central (CBD), (Figura 2.9e). Estes suspensores parecem não serem empregados
19
industrialmente, possivelmente por causa da complexidade do seu formato. O uso de
suspensores com formato semicircular (Figura 2.9f) foi proposto por PORTER (1963).
2.3.2.1 - Quantidade de sólidos nos suspensores
O conhecimento da quantidade de sólidos transportados pelos suspensores é essencial
para assegurar que o tambor esteja operando em condições próximas ao ponto ótimo. Se o
secador operar com suspensores com baixo carregamento de material, o secador estará
operando abaixo de sua capacidade, havendo ineficiência. Por outro lado, se o secador operar
sobrecarregado, haverá uma porção excessiva de material transportada através deste, o que
reduzirá o tempo de residência dos sólidos, podendo ser prejudicial para a qualidade do
produto final (BAKER, 1983).
SCHOFIELD e GLIKIN (1962) analisaram o movimento de cascata com base nos
princípios que governam o movimento das partículas emescoamento. Estes autores
relacionaram a quantidade de sólidos retida em cada suspensor como uma função da
geometria e posição angular deste e do ângulo dinâmico de repouso do material.
O ângulo dinâmico de repouso do material (φ), também conhecido como ângulo
característico, é determinado em função do coeficiente dinâmico de fricção. Se um material é
derramado em uma superfície plana, formará uma pilha cujo ângulo com o plano horizontal é
chamado de ângulo estático de repouso (a
r
). Este ângulo de repouso é afetado pela
coesividade do material. Partículas dentro de um suspensor também exibem um ângulo de
repouso com o plano horizontal, que dependerá da posição angular do suspensor. Como o
ângulo de repouso nos suspensores é afetado pela velocidade de rotação do tambor, este é
chamado de ângulo dinâmico de repouso. A equação proposta por SCHOFIELD e GLIKIN
(1962) que relaciona o ângulo dinâmico de repouso à velocidade de rotação do tambor (N
R
), a
posição angular do suspensor (θ) e a características do material (coeficiente dinâmico de
fricção, µ) é:
2
0
2
0
(cos )
tan
1(co
R
R
N
s)
R
sen
g
N
Rsen
g
µ
θµ θ
φ
θ
µθ
+−
=
−−
(2.12)
onde, θ é o ângulo subtendido entre a ponta do suspensor e o plano horizontal que passa pelo
centro do tambor.
20
Esta equação é resultado do balanço das forças que agem sobre uma partícula que está a
ponto de cair do suspensor. Entre estas forças estão: a força gravitacional Фg, a força
centrífuga Фc e a força de fricção nas partículas Фf. Esta última é obtida multiplicando o
coeficiente de fricção dinâmico µ da partícula pelo seu deslizamento para baixo devido a
reação normal desta superfície sobre a partícula, Фn.
A faixa sobre a qual esta relação pode ser aplicada com razoável precisão foi
investigada por KELLY e O’DONNELL (1968). Estes autores concluíram que a Equação
2.18 é utilizada com segurança para valores da razão R
0
N
R
2
/g até 0,4 (R
0
N
R
2
/g é igual a razão
entre as forças centrífuga e gravitacional atuando sobre a superfície do material). Para altas
velocidades, pode ocorrer o equilíbrio dinâmico R
0
N
R
2
/g = 1,0, onde a força centrífuga e
gravitacional se igualam. Nesta situação o secador se encontra na velocidade crítica, quando o
material não cai em cascata, ficando retido nos suspensores. Na prática, secadores rotatórios
são operados na seguinte faixa 0,0025 < R
0
N
R
2
/g > 0,04.
Em secadores rotatórios usualmente a força centrifuga é pequena em relação à força
gravitacional, isto é, o número de Froude é Fr
≅
0, por este motivo à influência da velocidade
rotacional sobre a carga dos suspensores pode ser negligenciada (BAKER, 1988).
O coeficiente dinâmico de fricção, como uma propriedade do material, é dependente do
formato e tamanho do material, seu conteúdo de umidade, sua densidade, etc. KELLY (1970)
desenvolveu um procedimento de medida para o coeficiente dinâmico de fricção. O
equipamento usado em seus testes experimentais consistia de um tambor rotatório horizontal
com 8 suspensores circulares colocados a intervalos de 45º na circunferência interna do
tambor. O procedimento de KELLY em 1970 consistia em: fixada a inclinação do secador, os
suspensores eram cheios até a metade com o material a ser analisado e fotografias da região
interna do secador eram tiradas para diferentes velocidades de rotação. Leituras do ângulo de
repouso e da posição angular do suspensor eram tomadas em cada fotografia. Para cada faixa
de condições (tipo de material, tamanho das partículas e velocidade de rotação), as leituras
eram analisadas em um programa computacional que calculava o valor de
µ.
O material coletado pelos suspensores na metade inferior do secador começa a cascatear
quando o ângulo da superfície do material em relação ao plano horizontal que passa pelo
centro do secador excede um valor de equilíbrio. Se o ângulo dinâmico de repouso (
φ) e a
posição angular do suspensor na circunferência interna do secador (
θ) forem conhecidos a
área da seção transversal ocupada pelo material nos suspensores pode ser calculada com o uso
da geometria analítica para suspensores de formato irregular ou através da geometria plana
21
para suspensores regulares. Conseqüentemente, a carga de sólidos nos suspensores é
determinada em termos de sua geometria, posição angular e ângulo cinético de repouso do
material (WANG et al, 1997).
BAKER (1983) mostrou como o ângulo dinâmico de repouso pode ser usado para
calcular a carga de sólidos em suspensor para qualquer posição angular deste. Ele
desenvolveu equações para vários tipos de geometrias de suspensores e explicou como
calcular o número ótimo de suspensores em secadores rotatórios para maximizar a carga no
tambor e assim fazer um uso bastante efetivo do volume do secador.
KELLY (1992) estendeu sua teoria para a predição da geometria do suspensor ideal, ou
o de igual distribuição horizontal (EAD). Os suspensores EAD distribuem os sólidos
uniformemente sobre o plano horizontal que passa pelo centro do tambor rotatório. Isto
assegura um bom contato gás-sólido no secador.
Com o cálculo da área transversal dos suspensores ocupada pelos sólidos (Figura 2.10) é
possível determinar a quantidade de material nos suspensores para qualquer valor de
θ.
Figura 2.10: Área ocupada pelos sólidos no suspensor.
A relação para a carga de sólidos nos suspensores é dada pela Equação 2.13:
*( )
ii
hSL
s
θ
ρ
=
(2.13)
onde h* é a carga de material no suspensor (kg),
s
ρ
é a densidade das partículas, L é o
comprimento do secador e S é a área na seção transversal ocupada pelos sólidos no suspensor.
22
A quantidade de material despejada pelos suspensores quando estes, devido ao
movimento de rotação do cilindro do secador, mudam de uma posição
θ para outra ao longo
da circunferência interna do secador é dada pela Equação 2.14:
,1
**
di i i
hhh
−
*
=
− (2.14)
onde h*
d
é a massa despejada do suspensor (kg).
O formato dos suspensores determina a maneira na qual são derramados os sólidos
através do fluxo de gás quente. Por definição, a quantidade de sólidos despejadas pelos
suspensores EAD para 0 ≤ θ ≤ 180º é constante. Os suspensores com ângulos reto exibem
uma taxa de cascata razoavelmente constante, mas com ângulo final de descarga θ < 140°. Os
suspensores angulares e semicirculares exibem taxas de cascateamento que diminuem
rapidamente com θ. Com estes suspensores o cascateamento cessa aproximadamente entre 90
e 120º.
Para cálculos de projeto da carga total de material no secador (H*) KELLY e
0´DONNELL (1968) sugeriram o uso da Equação 2.15:
*
0
(1)
*
2
hN
H
+
= (2.15)
onde h
0
* é a carga no suspensor para a posição θ igual a zero.
GLIKIN (1978) propôs a Equação 2.16 para o cálculo da quantidade de material no
secador:
0
*2 * *Hhh
=
∑− (2.16)
onde Σh* é a soma das quantidades de material nos suspensores em toda a região 0 ≤ θ ≤ 180,
h* é a carga de material presente no suspensor para um ângulo θ e h
0
* é a carga de material no
suspensor para θ = 0.
Um número suficiente de suspensores deve ser distribuído pelo tambor de tal maneira
que o volume de material transportado pelos suspensores esteja entre 10 a 15 % do volume
total de material no secador. Se N é o número de suspensores, o espaçamento entre cada um
será θ
N
= 360/N. GLIKIN (1978) mostrou que para o suspensor de ângulo reto que se
encontrar completamente carregado para θ = 0°, o espaçamento mínimo entre as peças
suspensores deve ser tal que a relação 2.17 seja satisfeita:
0
tan( ) tan
i
Rl
θ
ψφ
−
> (2.17)
onde ψ é definido como:
1
´
tan
l
R
l
ψ
−
⎛
=
⎜
⎞
⎟
−
⎝⎠
(2.18)
23
No projeto de suspensores não é intuitivamente óbvio qual perfil é o mais eficiente para
o propósito de aumentar a taxa secagem. Partículas que caem a partir do centro do tambor
experimentam um maior tempo de contato com os gases quentes. Por outro lado, se o
cascateamento estiver concentrado em qualquer área em particular, considerável quantidade
de partículas serão protegidas por suas vizinhas. Isto é claramente prejudicial à eficiência de
transferência de massa e calor.
2.3.2.2 - Comprimento e tempo de queda das partículas dos suspensores
Quando o ângulo formado pela superfície das partículas nos suspensores com a
horizontal atinge um valor superior ao ângulo de equilíbrio, as partículas experimentam um
comprimento de queda que varia de acordo com a posição angular do suspensor. Como as
partículas deixam os suspensores em posições angulares diferentes, uma faixa de
comprimentos de queda (Y
q
) será experimentada. GLIKIN (1978) propôs a Equação 2.19 para
o cálculo do comprimento de queda das partículas do suspensor (o comprimento de queda
aqui determinado, é a distância percorrida pelas partículas da ponta do suspensor, onde inicia-
se a queda, até o leito de partículas na parte inferior do secador):
2
2
cos
o
q
YRX
Y
α
+−
=
o
(2.19)
onde α é a inclinação do secador e Y
o
= R
0
cos θ e X
o
= R
0
senθ para R
0
igual a distância da
ponta do suspensor até o centro do secador:
O comprimento médio de queda pode ser expresso como:
*(0)
0
0
*
*(0)cos
h
q
D
Y
h
θ
α
=
∫
sendh
(2.20)
onde D
0
é o diâmetro efetivo do secador (diâmetro da circunferência formada pela ponta do
suspensor), (GLIKIN, 1978).
Em geral a distância média de queda pode ser dada segundo (KELLY, 1968):
0
´
cos
q
R
kD
Y
H
α
=
(2.21)
onde H
R
é a razão da carga de sólidos no secador H com a carga de sólidos no secador
definida pelo projeto H* e a constante k´ é dependente da geometria do suspensor. KELLY
(1968) citou valores de k´, para diferentes projetos de suspensores. Estes valores estão na
Tabela 2.1.
24
Tabela 2.1: Valores para k’ para diferentes suspensores.
Perfil do suspensor k’
Semi-circular 0,570
EAD 0,637
Ângulo reto 0,760
EHD 0,784
CBD 0,902
O valor aproximado da posição angular média de queda das partículas (
θ
) do suspensor
pode ser dado pela Equação 2.22:
*(0)
0
*
*(0)
h
dh
h
θ
θ
=
∫
(2.22)
O tempo de queda,
(s), correspondente ao caminho em queda livre percorrido pela
partícula, e pode ser dado por (BAKER, 1992), na Equação 2.23:
q
t
2
q
q
Y
t
g
= (2.23)
ou pode ser relacionado ao máximo tempo de queda através da expressão2.24:
max
q
q
tY
tD
=
q
(2.24)
onde t
qmax
(s) é o tempo de queda para o maior caminho percorrido pela partícula em queda
(Y
q
=D).
O tempo médio de queda das partículas é dado pela Equação 2.25:
2
q
q
Y
t
g
= (2.25)
e a velocidade média de queda é então obtida da seguinte maneira:
2
q
q
gY
v = (2.26)
A distância e o tempo de queda das partículas dos suspensores calculados pelas
equações apresentadas anteriormente não levam em conta o arraste das partículas pelo ar, que
faz com que os valores dos cálculos sejam um pouco diferente dos valores reais. Contudo, as
25
distâncias longitudinais percorridas em cada ciclo de cascata são geralmente pequenas,
fazendo com que o efeito do arraste seja desprezível.
A área para a transferência de massa, devido à ação dos suspensores, é igual a área
superficial das partículas em queda. Esta área superficial pode ser dada pela área de todas as
partículas em queda e o tempo que esta área é efetiva comparado com a duração de um giro
completo do cilindro do secador (KAMKE e WILSON, 1986):
6
(0)* (1 )
pq o R q
p
SS Lp NN
d
=− t
(2.27)
onde p
o
é a porosidade do fluxo de partículas em queda.
As partículas deslocam-se através do secador por uma sucessão de “ciclos de cascata”,
cada movimento da partícula em um determinado ciclo faz com que esta movimente ao longo
do comprimento do secador, e o valor do avanço sofrido pela partícula em cada ciclo depende
do projeto e condições de operação do secador. A partícula movimenta-se ao longo do secador
por um ou um grande número de caminhos. O ciclo de cascata pode ser definido como o
sendo o período em que a partícula é recolhida pelo suspensor na parte inferior do secador até
o momento que as partículas caem através do fluxo de gás quente (KELLY e O´DONNELL,
1977).
O tempo de cada ciclo, considerando o ciclo como o caminho percorrido pelo material
da parte inferior do cilindro à um ângulo de queda médio
θ
, pode ser dado pela razão entre a
distância da circunferência interna do secador percorrida pelo material e a velocidade de
rotação do tambor, mais o tempo médio de queda. A expressão para o tempo médio gasto pelo
material em cada ciclo pode então ser dada por:
Ci q
R
RR
t
N
πθ
+
t
=
+ (2.28)
2.3.3 - Transporte das partículas
O secador rotatório atua tanto como transportador do material sólido como dispositivo
para promover uma eficiente transferência de massa e energia entre as partículas úmidas e o
gás quente.
São quatro os componentes responsáveis pelo avanço das partículas ao longo do
secador:
a. Gravitacional, devido a inclinação do tambor que constitui o secador.
26
b. Força de arraste exercida pelo escoamento de ar sobre as partículas em cascata.
c. Repique das partículas no fundo do secador.
d. Rolagem das partículas no fundo do secador, principalmente em secadores
sobrecarregados.
Cada um destes mecanismos pode contribuir independentemente para o movimento das
partículas. Os dois últimos componentes são quase impossíveis de se predizer teoricamente e
são avaliados experimentalmente para cada tipo de material (KEMP e OAKLEY, 1997).
As partículas coletadas pelo suspensor são transportadas do fundo do secador até uma
região superior. Para alguma posição θ do suspensor entre 0 e 180º, o material cai e, como
resultado da inclinação do secador, progredi ao longo do comprimento deste. Não havendo
nenhum escoamento de gás pelo secador, o caminho de descida das partículas e totalmente
vertical, e seu avanço devido a cascata é dado por D
0
senθ/tanα. Com escoamento de gás
concorrente as partículas avançam mais rapidamente devido o arraste exercido pelo fluxo de
ar. O inverso é observado com fluxo contra-corrente.
Ação do tambor acontece quando as partículas deslizarem na parte inferior do secador.
Por causa da inclinação do tambor, as partículas avançam para a saída deste. O avanço das
partículas também pode acontecer em tambores horizontais como resultado do “gradiente de
material”. Embora a ação do tambor ocorra em tambores com carregamento abaixo do
carregamento especificado pelo projeto e em tambores com carregamento de projeto, sua
influência é maior quando o secador está sobrecarregado.
O repique das partículas no fundo do secador, como o próprio termo insinua, acontece
quando uma partícula em queda não para imediatamente, mas rebate na superfície do tambor.
Este repique resulta em avanços da partícula dentro do secador por causa da inclinação deste
(BAKER, 1987).
2.3.3.1 - Tempo de Residência das partículas.
O tempo médio de residência das partículas, em secadores rotatórios, e a carga de
sólidos estão relacionados pela Equação 2.35:
*H
W
τ
= (2.29)
onde W é a alimentação de sólidos no secador. A carga de sólidos (hold up) H* é geralmente
determinada interrompendo o movimento do tambor e pesando o seu conteúdo. A relação
anterior considera uma dispersão axial nula.
27
A dispersão axial foi inicialmente estudada com o uso de trançadores radioativos.
MISKELL e MARSHALL (1956), foram os primeiros a estudar o efeito do carregamento do
secador sobre a dispersão e concluíram que os desvios são mínimos para volumes de carga
entre 7,5 e 8% do volume total do secador.
O funcionamento adequado do secador rotatório depende da retenção de sólidos. Um
secador operado com sobrecarga terá uma transferência de calor não uniforme, porque o
excesso de sólidos deslizará pela ação do tambor, não sendo coletados pelos suspensores,
impedindo uma efetiva ação dos suspensores e prejudicando a interação entre o gás e as
partículas. Por outro lado, se o secador trabalhar com baixo carregamento, os sólidos
passaram rapidamente pelo secador fazendo com que o tempo de residência seja inferior ao
tempo necessário para uma eficiente secagem do material. Os principais fatores que
influenciam a carga de sólidos no secador rotatório são: geometria e características específicas
do material a ser seco (densidade, ângulo de repouso, porosidade, etc.), geometria do secador
(comprimento e diâmetro), condições de operação (taxa de alimentação de sólidos, taxa e
direção do fluxo de gás, inclinação e rotação do secador, etc.) (ALVAREZ e SHENE, 1994).
A primeira informação sobre o tempo de residência em secadores rotatórios foi
publicada por JOHNSTONE e SINGH (1940). Com base em dados bastante limitados, estes
autores concluíram que o tempo médio de residência poderia ser calculado por uma versão
modificada da equação de SULLIVAN, HAIER, e RALSTON (1927). A equação de
JOHNSTONE e SINGH pode ser escrita da seguinte maneira:
0,5
0,0433
tan
r
R
La
DN
τ
α
= (2.30)
onde
τ
é o tempo médio de residência, dado em minutos; L, D, tanα e N
R
são: comprimento
(m), diâmetro (m), inclinação (rad) e velocidade rotacional (rpm) do secador,
respectivamente; e a
r
é o angulo de repouso dos sólidos em graus.
MILLER, SMITH e SCHUETTE (1942), baseados em estudos experimentais realizados
em um secador de 0,2 m de diâmetro e comprimento de 1,22 m, propuseram a seguinte
equação para estimação do tempo médio de residência:
kL
mv
DN
τ
α
=+ (2.31)
k e um parâmetro que depende do número e formato dos suspensores e m é um parâmetro que
depende da direção do escoamento de ar (seu valor é de -177 a -531 s
2
/m para fluxo
concorrente e de 236 a 945 s
2
/m para fluxo contra corrente). Nenhuma relação entre m e as
propriedades da partícula foi determinada.
28
Uma das correlações empíricas mais usadas para estimação do tempo de residência foi
proposta por FRIEDMAN e MARSHALL (1949):
0,9 0,5
0,3344 0,6085
Rp
G
L
ND Wd
τ
α
⎛⎞
=±
⎜
⎜
⎝⎠
⎟
⎟
(2.32)
onde W é a taxa de alimentação do material por unidade de área da seção transversal do
secador. O sinal negativo da equação é usado para escoamento concorrente e o sinal positivo
para escoamento contra-corrente.
O estudo de FRIEDMAN e MARSHALL (1949) para o tempo de residência em
secadores rotatórios é bastante utilizado em trabalhos reportados na literatura. Porém, seu
valor é adimensional pelo fato que a maioria dos dados experimentais utilizados por estes
autores foram obtidos em secadores com carregamento muito inferior aos encontrados na
prática industrial (BAKER, 1983).
SAEMAN e MITCHELL (1954) foram os primeiros a fugir da típica aproximação
empírica para o cálculo do tempo médio de residência das partículas em secadores rotatórios.
Estes autores analisaram o transporte de material pelo secador por meio de associação das
taxas de transporte com caminhos individuas de cascateamento. Assumindo uma relação
linear entre o deslocamento horizontal das partículas, devido ao fluxo de ar, e a velocidade
dessas particulas, a seguinte equação para o tempo médio de residência foi elaborada:
(*) (tan ')
R
L
f
HDN mv
τ
α
=
±
(2.33)
O valor do f(H*) (parâmetro relacionado a carga do secador) é determinado como 2 para
secadores ligeiramente-carregados e π para secadores fortemente carregados com suspensores
pequenos. O sinal positivo na Equação (2.39) indica fluxo concorrente, e o sinal negativo
indica fluxo contra-corrente. A constante empírica m’, é determinada experimentalmente para
cada material.
Desde 1962, muitos modelos teóricos para predição do tempo médio de residência vêem
sendo desenvolvidos com a adição do conceito de ciclo de cascata, o caminho percorrido pelo
material desde o momento em que este é coletado pelo suspensor até o término do movimento
de cascata. O tempo de ciclo corresponde ao tempo gasto pelo material em cada ciclo de
cascata. Sendo assim, o tempo médio de residências das partículas no secador pode ser dado
pela Equação 2.34 ou 2.35:
Ci Ci
tN
τ
=
(2.34)
ou
29
Ci
Ci
tL
d
τ
= (2.35)
onde t
c
é o tempo médio do ciclo de cascata, N
Ci
é o número de ciclos de cascata e d
Ci
é o
avanço na direção axial do secador realizado pelo material por ciclo. A distância percorrida
pela partícula é determinada pela altura de queda, inclinação do secador e velocidade do gás.
Em um ciclo de cascata, as partículas podem estar sujeitas a diferentes situações que
podem contribuir para o movimento axial destas. As contribuições podem ser: as partículas
caem do suspensor através do escoamento de ar e são arrastadas por este e quando colidem no
fundo do secador sofrem saltos subseqüentes. Após estes movimentos as partículas podem
passar um longo tempo até serem novamente coletadas pelos suspensores devido à sobrecarga
do secador.
KELLY e O´DONNEL (1977) desenvolveram um modelo para a predição do tempo
médio de residência usando o conceito do ciclo de cascata. Eles consideraram suspensores de
igual distribuição angular que foram especialmente projetados para dar um fluxo de cascata
constante. O efeito do fluxo de ar não é considerado aqui. Este modelo consiste em duas
funções que consideram secadores em operação acima e abaixo do carregamento de projeto.
Para secadores sujeitos a carregamentos abaixo ou iguais ao carregamento determinado
pelo projeto, o tempo do ciclo de cascata pode ser dado por:
0,5
0
0
0
2(1cos( )) 1
(1 0, 5 )
cos
h
Ci h
h
Dm
tm
gm N
π
πα
⎛⎞
−−
=+
⎜⎟
⎝⎠
− (2.36)
onde:
0
*
ln( )
h
H
mm
H
=−
0h
(2.37)
Na Equação 2.37 H representa a carga de operação dos suspensores e m
h0
representa a
razão entre a carga do suspensor h* ,em uma posição qualquer deste, e a carga para θ = 0, h*
0
.
A expressão correspondente para um secador com carregamento acima das condições de
projeto é dada por:
0,5
0
4
1
(
cos 2
h
Ci
RR
D
t
gN
πα
⎛⎞
1
)
m
NN
−
=+
⎜⎟
⎝⎠
(2.38)
onde:
*
1
12
1
h
m
H
HN
−
=+
+
(2.39)
30
onde m
h
representa a razão entre a carga de operação do suspensor (h) e a carga obtida através
do projeto h*.
GLIKIN (1978) propôs muitas equações baseadas na análise gás-particula que podem
predizer o comportamento da partícula por meio das seguintes simplificações: não existe
interação entre as partículas; as partículas podem ser consideradas de formato esférico; os
suspensores operam no carregamento definido pelo projeto.
Para a determinação do avanço axial das partículas (d) um balanço de forças foi
aplicado. A seguinte expressão foi obtida por este autor como uma função do tempo:
2
0,5 sen 0,5
dr
dgt Kv
α
=±
22
t (2.40)
onde v
r
é a velocidade relativa entre o gás e as partículas. O parâmetro K
d
é dado pela seguinte
equação:
1, 5
G
d
ps
f
K
d
ρ
ρ
=
(2.41)
com
12
Re
f = (2.42)
para Re < 0,2 e
0,687
12(1 0,15Re ) / Ref =+ (2.43)
para 0,2 < Re < 1000.
onde ρ
G
e ρ
s
são as densidades do ar e sólido, respectivamente, e d
p
é o diâmetro da partícula.
Os sinais mais e menos referem a fluxo concorrente e contra-corrente, respectivamente.
A equação para o tempo de médio de residência é dada pela Equação 2.44:
0,5
2
2
()
(sen / )
d
ddr
YL
N
g
YKvg
θ
τ
π
α
⎛⎞
=
⎜
−
⎝⎠
+
⎟
(2.44)
GLIKIN (1978) não apresentou nenhum dado experimental para comparar com suas
predições. Ele também observou que para fluxo concorrente,
τ
aumenta com d
p
. Porém, o
inverso foi indicado para fluxo contra-corrente.
MATCHETT e BAKER (1987) desenvolveram um modelo que tratava o fluxo de
material através do secador como consistindo de duas regiões em paralelo (conforme Figura
2.11).
31
W
W
Velocidade dos sólidos V
1
, Carga H
1
.
Tempo de residência
τ
1.
Velocidade dos sólidos V
2
, Carga H
2
.
Tempo de residência
τ
2
Continua troca de
sólidos entre as fases
FASE AERADA
FASE DENSA
Figura 2.11: Regiões de escoamento propostas por MATCHETT e BAKER (1987).
Uma região, denominada por este autores de “fase densa”, é formada pelo material
carregado nos suspensores e o material no fundo do secador. Esta fase é influenciada
principalmente pela rotação do secador. Os mecanismos responsáveis pelo movimento da fase
densa são: repique e avalanches das partículas no fundo do secador. A outra fase, chamada de
“fase aerada”, é formada pelo material em queda na cascata. Esta fase sofre influência da
força gravitacional e da força de arraste devido ao fluxo de gás através do secador.
Tipicamente partículas gastam 90 a 95% do tempo de escoamento pelo secador na fase densa,
porém praticamente toda a secagem ocorre quando o material se encontra na fase aerada.
Estes autores propuseram a seguinte correlação para o tempo médio de residência:
1
(2 1)
2t
Rq
Rq R
LNt
NtV aND
τ
an
α
+
=
+
(2.45)
onde V
1
é a velocidade da partícula na fase aerada devido à força de arraste, calculada através
da seguinte relação empírica:
42,2
1
2
7,45*10 Re
fq
s
p
vt
V
d
µ
ρ
−
= (2.46)
O
q
t pode ser calculado pela Equação 2.25 ou através da seguinte equação:
0,5
*
0
2
cos
q
D
t
g
α
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠
I
(2.47)
onde I
*
é um parâmetro que depende da geometria do suspensor. PAPADAKIS (1992)
estabeleceu que um valor de 0,74 pode ser tomado como estimativa inicial quando
informações sobre a forma do suspensor não é conhecida.
O valor de a (número definido a partir da velocidade da fase densa) pode ser estimado
por dados obtidos com fluxo de ar nulo, utilizando a equação:
32
2
tan
R
V
a
ND
α
= (2.48)
O valor de V
2
(velocidade da fase densa) tem sido encontrado independente da rotação,
inclinação do secador e taxa de sólidos. Aparentemente V
2
pode ser dependente somente das
características do material, contudo teste são necessários para verificação deste fato
(ALVAREZ e SHENE, 1994). Este modelo foi aplicado a materiais como fertilizantes e trigo
em secadores de 0,237 m de diâmetro por 1,8 m de comprimento com 20% de precisão.
PAPADAKIS et al. (1994) modificou o modelo original “paralelo” de MATCHETT e
BAKER (1987) para uma forma em “serie” (mais conveniente para implementação
computacional). No novo modelo o tempo total gasto pelos sólidos no secador é a soma dos
tempos de residência na fase densa e aerada, τ = τ
s
+τ
g
, o comprimento do secador foi
simplificado pela soma das distância percorridas em cada fase:
s
g
τ
ττ
=
+ (2.49)
(
42,2
2
7,45*10 Re tan
fq
gs
sp
vt
L
d
µ
)
R
aND
τ
τ
ρ
−
⎛⎞
=+
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
α
(2.50)
WANG et al. (1995) apontaram falhas comumente encontradas em publicações
referentes ao comportamento do transporte dos sólidos em secadores rotatórios, tais como:
a. As representações infinitesimais do volume de descarga dos suspensores, como a
sugerida por SHERRITT et al. (1993 a), podem ser consideradas errôneas devido a
simplificações geométricas.
b. O valor aproximado do ângulo médio de queda
θ
e do comprimento médio de Y das
partículas dos suspensores, mesmo sendo extensivamente usados em simulações do transporte
de material, podem ser inadequados, em determinadas situações, devido a alta dispersão em
relação ao valor médio.
Com o objetivo de superar algumas destas falhas WANG et al. (1995) desenvolveram
uma rigorosa análise matemática nas áreas de cálculo diferencial e geometria analítica. O
modelo de transporte de partículas apresentado por estes autores descreve o comportamento
global através de equações diferenciais parciais.
O modelo de WANG et al. (1997) relaciona o fluxo de massa axial com a taxa de
descarga de sólidos dos suspensores na direção vertical. A taxa de descarga de sólidos dos
suspensores (R
D
) por unidade de comprimento é dada por:
DbR bR
dS S S
RN N
d
θ
ρρ
θ
θφφ
⎛⎞
∂
∂∂
=− = + +
⎜⎟
∂
∂∂
⎝⎠
(2.51)
33
Então o fluxo axial de sólidos constituído do movimento das partículas na fase aerada e
na fase densa (F
s
), considerando que a força de arraste axial pode ser negligenciada, pode ser
dado como:
i
SiciRb
ii
i
dS
FRdYN Y
d
ρ
θ
⎛
=Γ =Γ
⎜
⎝⎠
∑∑
ci
⎞
⎟
(2.52)
o fluxo de massa F
s
e dado em kg/s. O fator Γ 1, é um fator de correção que levar em
conta os efeitos da ação do cilindro do secador, e Y
≥
ci
é o comprimento de queda das partículas
até o próximo ciclo, que pode ser dado por:
tan
ci qi
YY
α
=
(2.53)
Quando a força de arraste não é negligenciada, a Equação 2.54 é usada para o correto
valor de Y
ci
:
2
1
2
ci ci Y qi
YY at
′
=− (2.54)
onde o parâmetro a
y
é dado por:
22
8
s
pp
Y
p
vd
af
m
πρ
=
(2.55)
onde v
p
é a velocidade da partícula (m/s), m
p
é a massa de uma única partícula (kg) e d
p
é o
diâmetro da partícula (m).
CAO e LANGRISH (1999) compararam as predições do modelo de MATCHETT e
BAKER (1987) com o de FRIEDMAN e MARSHALL (1949) e SAEMAN e MITCHELL
(1954) para informações coletados tanto em planta piloto como em secadores rotatórios
industriais, e concluíram que o modelo de MATCHETT e BAKER (1987) reproduz melhor os
dados experimentais.
Através da análise de grande quantidade de dados encontrados na literatura referentes à
operação de secadores rotatórios, tanto em escala piloto como industrial, PERRY e GREEN
(1999) propuseram a correlação geral 2.56 para o cálculo do tempo de residência médio:
0,9
tan
p
R
kL
DN
τ
α
= (2.56)
onde D e L estão em unidades consistentes, N está em r/min.
KEMP e OAKLEY (2002) mostraram que a razão entre o tempo de residência na fase
aerada (τ
g
) e o tempo de residência na fase densa (τ
s
) pode ser encontrada pela comparação
entre o tempo médio de queda das partículas
tq e o tempo gasto entre o momento de despejo
das partículas e uma nova coleta realizada pelos suspensores τ
co
. A Equação 2.57 foi derivada:
34
ft
sco
gq R
K
g
tND
ττ
τ
==
(2.57)
onde o parâmetro adimensional K
ft
pode ser dado por:
0
2sen
ft
D
K
D
θ
πθ
=
(2.58)
Através de gráficos que mostravam a variação de K
ft
com θ, concluíram que o valor de
K
ft
pode ser dado, com boa aproximação, por 0,4. Para secadores sobrecarregados o
parâmetro K
ft
aumenta.
KEMP (2004) reformulou a análise realizada por MATCHETT e BAKER (1987) para
gerar uma relação mais direta entre o tempo médio de residência (
τ
) e o comprimento do
secador (L). Através do rearranjo de equações e simplificações este autor obteve a Equação
2.59 para o tempo médio de residência:
1
1
tan
2
ft
R
K
ft
K
g
L
ND
K
gD K a V
τ
α
⎛⎞
+
⎜⎟
⎝⎠
=
⎛⎞
⎛⎞
++
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠
(2.59)
nesta equação K
K
é definido por:
0
cos
Kfall
D
KK
D
α
= (2.60)
onde K
fall
é o parâmetro relacionado a queda das partículas no suspensor em diferentes
posições, com diferentes tempos de queda, geralmente se encontra entre 0,7 e 1. Esta é uma
equação bastante direta, contendo somente parâmetros conhecidos ou parâmetros com
significado físico (K
K
, K
ft
) com valores dentro de uma estreita faixa. Tipicamente a razão τ
s
/τ
g
é > 10, sendo assim a Equação 2.59 poder ser simplificada para Equação 2.61:
1
1,1
11
tan
2
K
R
ft
ft
L
K
ND a V
KgD
K
τ
α
=
⎛⎞
⎛⎞
⎛⎞
⎜⎟
++
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠
⎝⎠
(2.61)
2.3.4 - Transferência de Calor em Secadores Rotatórios com Contato Direto
Usualmente, os secadores rotatórios de contato direto são tratados como simples
trocadores de calor. O calor trocado é definido em termos de um coeficiente global, ou
volumétrico, de transferência de calor, de acordo com a relação 2.62:
35
VA lm
QUVT
=
∆ (2.62)
onde Q é a taxa de transferência de calor entre o gás e os sólidos, V é o volume do secador, e
∆T
lm
é a diferença média logarítmica de temperatura entre o gás e as partículas.
O coeficiente volumétrico U
VA
é definido como a taxa de transferência de calor por
unidade de volume do secador e por unidade de diferença de temperatura. Consiste no produto
entre o coeficiente de transferência de calor U
V
, baseado na área efetiva de contato entre o gás
e os sólidos, e a relação desta área para o volume do secador. Assim, o uso deste coeficiente
elimina a necessidade de especificar a área bastante complexa onde a transferência de calor
acontece.
Os primeiros a investigarem extensivamente o calor transferido em secadores rotatórios
foram MILLER, SMITH e SCHUETTE (1942). Estes autores obtiveram dados de secagem
em um tambor rotatório com 0,2 m de diâmetro e 1,22 m de comprimento provido de 6 ou 12
suspensores (os suspensores possuíam um ângulo de l20° entre os segmentos). A velocidade
do tambor era mantida constante a 4,3 rpm e sua inclinação era variada de 1,8 a 3,6°. Foram
empregados dois tamanhos de suspensores, e na maioria das corridas o escoamento de gás e
de sólidos era contra-corrente. Todas os experimentos foram realizados sob condições de
carregamento ótimo do secador.
MILLER, SMITH e SCHUETTE (1942), obtiveram as correlações 2.63 e 2.64 para a
taxa total de transferência de calor para os sólidos (Q):
Para 6 suspensores:
0,46
(1)
1, 02
2
lm
N
QLD GT
−
=
∆ (2.63)
Para 12 suspensores
0,60
(1)
0,228
2
lm
N
QLDGT
−
=
∆ (2.64)
Nestas equações, Q é dado em Watts e L e D são dados em metros; o escoamento
mássico de ar G é dada em kg/m
2
h; e ∆T
lm
está em Kelvin. O termo (N - 1)/2 representa o
número de suspensores na metade superior do secador. O produto LD (N - 1)/2 é então
proporcional à área total de todos os sólidos em cascata.
As Equações (2.63) e (2.64) podem ser reescritas em termos de um coeficiente global
volumétrico de transferência de calor, na forma das Equações 2.65 e 2.66:
Para 6 suspensores:
10,46
0,652( 1)
VA
UND
−
=−G (2.65)
Para 12 suspensores:
36
10,60
0,145( 1)
VA
UND
−
=−G (2.66)
onde U
VA
é dado em W/m
3
K.
O fluxo de calor nestas equações foi determinado como sendo independente da
velocidade e inclinação do tambor, e conseqüentemente do tempo de residência. Os autores
notaram que aumentando o escoamento mássico de ar a eficiência do secador também era
aumentada.
FRIEDMAN E MARSHALL (1949) realizaram experimentos em um secador de 0,3 m
por 1,83 m. Por meio de isolamento extensivo da unidade, eles reduziram as perdas de calor
do secador em aproximadamente 15%. Esforço considerável foi feito para obter medidas
precisas da temperatura dos sólidos, gás, e carcaça ao longo do comprimento do secador.
Apesar destas precauções, foram obtidos resultados incoerentes para as temperaturas do ar.
Isto foi atribuído a padrões de circulação dentro do secador. Por conseqüência, as
temperaturas do ar foram calculadas por meio do balanço de energia.
FRIEDMAN e MARSHALL (1949), propuseram que o coeficiente global de
transferência de calor em secadores do tipo rotatório pode ser expresso por correlações do
tipo:
F
F
an
VA F
UKWG= (2.67)
onde W
e G
são as vazões mássicas de sólido e fluido, respectivamente. K
F
, a e n são
parâmetros.
SAEMAN e MITCHELL (1954) postularam que a transferência de calor, em secadores
rotatórios e refrigeradores, acontece principalmente entre os sólidos em queda e o ar que passa
através destes. Segundo eles a massa de ar atinge rapidamente equilíbrio térmico com a
superfície das partículas. Por meio de medidas experimentais de temperatura feitas em um
refrigerador de 1,83 m de diâmetro, estes autores verificaram que a temperatura do ar próximo
ao fundo do tambor era consideravelmente mais alta do que no topo. Concluíram que a taxa
de transferência de calor depende em grande parte da taxa de material em queda na cascata e
da relação de entrada de ar no fluxo de material em queda do suspensor. A taxa de queda de
material dos suspensores é, principalmente, uma função do tamanho e do número de
suspensores, da carga e da rotação do secador. Estes autores propuseram a Equação 2.68 para
a transferência de calor:
4,8
(0,6 2,5 )
l
lm
QC e LT
−
=
+∆ (2.68)
37
Através de analise experimental SAEMAN e MITCHELL (1954) relacionaram o
coeficiente de transferência de calor por unidade de comprimento do secador e não por
unidade de volume:
LA lm
QULT
=
∆ (2.69)
onde U
LA
tem as unidades W/m K. Uma comparação entre as Equações 2.62 e 2.69 indica que
U
LA
e U
VA
estão relacionadas pela expressão:
2
()
4
LV VA
D
U
π
=
U
(2.70)
McCORMICK (1962), através dos dados obtidos por MILLER et al (1942),
FRIEDMAN e MARSHALL (1949), e SAEMAN e MITCHELL (1954), e com o propósito
de obter uma única correlação para o coeficiente volumétrico de transferência de calor,
assumiu que U
VA
poderia ser escrito pela Equação 2.71:
m
N
m
VA
KG
U
D
= (2.71)
McCORMICK (1962) demonstrou que todos os dados experimentais analisados por ele
poderiam ser correlacionados com 0,46 < N
m
< 0,67. Embora a evidência estivesse longe de
ser conclusiva, ele acreditou que um valor de 0,67 para N
m
era mais razoável. O parâmetro K
m
mostrou ser uma função das propriedades dos sólidos, da geometria dos suspensores, da
aceleração rotacional, e da carga do secador.
Para a quantidade de calor trocado em um secador rotatório com contato direto
McCORMICK (1962) sugeriu a seguinte equação:
,'n
m
QKLDGT
lm
=
∆ (2.72)
Ele também relatou que testes futuros deveriam ser realizados para determinação do
efeito da velocidade do gás sobre U
VA
para o caso de suspensores sobrecarregados. Ele
sugeriu que uma correlação ampla levaria a forma:
,'
()()()( )
n
mlm
Q KLDG TfNflfhfN=∆
R
G
(2.73)
na qual a constante de proporcionalidade K’
m
é principalmente uma função das propriedades
dos sólidos a serem secos.
MYKLESTAD (1963) realizou experimentos em um secador de 0,2 m de diâmetro por
2 m de comprimento que continha suspensores angulares, com ângulo entre os segmentos
igual a l35º. Os dados obtidos experimentalmente foram correlacionados pela Equação 2.74:
0.8
0.60
VA
U= (2.74)
38
onde U
VA
e dado em W/m
3
K e G em Kg/m
2
h. Observa –se nesta equação que o coeficiente
volumétrico de transferência de calor é independente do diâmetro do secador.
KAMKE e WILSON (1986) propuseram o cálculo do coeficiente global de
transferência de calor, para qualquer material, por meio da Equação 2.75:
2
4
VA f p
UhA
DL
π
= (2.75)
sendo h
f
(J/s m
2
K) o coeficiente pelicular de transferência de calor por convecção, e A
p
a área
superficial das partículas em queda dos suspensores, dada pela Equação 2.76:
6
b
p
s
ASN
d
ia
Lf
ρ
ρ
= (2.76)
onde ρ
b
e ρ
s
(kg/m
3
) as densidades bulk e normal dos sólidos, S (m
2
) a área ocupada pelos
sólidos nos suspensores, L
i
é o comprimento do secador analisado, N(-) o número de
suspensores e f
a
a fração de material em queda.
DOUGLAS et al. (1993) aplicaram um modelo matemático baseado em balanços
diferenciais de massa e energia para o controle dinâmico de um secador rotatório para
secagem de açúcar granular. Este modelo usou um coeficiente volumétrico de transferência de
calor correlacionado empiricamente com o fluxo de gás quente, G, na forma da Equação 2.77:
0,5
0,16
*
0,247
VA
s
H
U
V
ρ
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠
G
(2.77)
Uma maneira diferente de descrever a transferência de calor é através do coeficiente
local, ou filme, h
f
que é usualmente calculado através da correlação 2.78 de RANS e
MARSHALL (1952):
1/2 1/3
2,0 0,6(Re) (Pr)
f
f
p
K
h
d
⎡
⎤
=+
⎣
⎦
(2.78)
A equação 2.79 para transferência de calor pode ser definida como :
fp
QhAT
=
∆ (2.79)
onde h
f
se refere a uma única partícula, A
p
é o produto entre a área superficial de uma única
partícula multiplicada pelo número total de partículas, e ∆T é a diferença de temperatura entre
o sólido e o gás.
As vantagens em considerar o coeficiente local ao invés do coeficiente volumétrico são
puramente empíricas. Primeiramente, h
f
pode ser determinado por meio de experimentos
relativamente simples com um pequeno número de partículas. Alternativamente, este pode ser
calculado usando um das correlações apropriadas da literatura. Segundo, variações nas
39
condições operacionais podem ser prontamente obtidas. Finalmente, analogias entre a
transferência de calor e a transferência de massa possibilitam obter o coeficiente de filme
(película) para o processo.
Para a obtenção do coeficiente de transferência de calor local, PORTER (1963) propôs
as seguintes suposições com intuito de simplificar os cálculos:
a. O perfil de temperatura do gás ao longo do secador é conhecido.
b. No secador a temperatura do gás é constante ao longo de qualquer trajetória de
queda de uma única partícula.
c. Não há nenhuma perda de calor do secador para a vizinhança.
d. Não há nenhuma transferência de calor entre a partícula e o ambiente durante o
período de saturação.
e. A temperatura da partícula se torna uniforme durante cada período de
saturação.
Estas suposições têm aplicações bastante limitadas. Em geral, o perfil de temperatura do
gás não é precisamente conhecido. Assim, qualquer resultado numérico obtido só pode ser de
precisão limitada. A validade da suposição (b) também é questionável. Como mostrado por
SAEMAN e MITCHELL (1954), há diferença entre a temperatura do topo e do fundo, em
uma mesma cascata. Finalmente, enquanto a suposição (e) é razoável para refrigeradores, ela
não é segura para secadores (BAKER, 1983).
Sob as condições de simplificação, a temperatura média
p
T de uma única partícula em
contato com o gás pode ser escrita na forma da Equação 2.80, PORTER (1963):
222
22
00
2
1
(1)sen
6 exp( )
(1)
n
p
n
n
nn
bBi b
TTBi Fb
bBiBi b
∞
=
⎡⎤
+−
=−
⎢⎥
+−
⎣⎦
∑
4
n
(2.80)
nesta equação,
0
T é o valor de
p
T no tempo = 0, Bi é o número de Biot, e Fo é o número de
Fourier.
PORTER (1963) ainda observou a ocorrência de duas condições limites para a operação
de secadores e refrigeradores. Com números de Fourier altos (pequenas ou/e altas
condutividades térmicas das partículas), a transferência de calor é controlada pelo filme de
gás e a difusão térmica dentro dos sólidos é desprezível. Sob estas condições, os fatores
governantes para troca de calor são o contato gás-sólido e o tempo que as partículas
permanecem nos suspensores. Para baixos números de Fourier, a taxa de transferência calor é
controlada pela resistência interna da partícula. Sob estas condições , a duração do período
40
saturado é de principal importância. Conseqüentemente, a velocidade de rotação pode ser o
único parâmetro significante sob estas condições.
HIROSUE e SHINOHARA (1978), em uma tentativa de relacionar o coeficiente
volumétrico de transferência de calor com a queda de pressão pelo secador, propuseram a
Equação 2.81:
2
()
ph
VA p f
n
Ud
V
π
=
h
(2.81)
onde (n
ph
/V) é o número efetivo de partículas caindo por unidade de volume do secador e πd
p
2
é a área de superfície de uma única partícula, e h
f
é o coeficiente de filme calculado pela
correlação de RANZ e MARSHALL (1952), Equação 2.78. Foi assúmido por estes autores
que (n
ph
/V) α (n
p
/V)
e1
(o parâmetro e
1
é determinado experimentalmente) onde (np/V) é o
número de partículas caindo por unidade de volume, determinado pelo conhecimento da taxa
de queda das partículas dos suspensores, conforme Equação 2.82:
2
1,37
0,41
3
/4
pc
p
D
npFr
d
π
= (2.82)
Nesta equação, p
c
é a porcentagem de carga (volume ocupado pelo material no secador
pelo volume do secador) e Fr é o número de Froude, baseado na velocidade angular do
secador.
A equação de RANZ e MARSHALL (1952) é usada levando em conta a suposição que
as partículas que caem ao redor de uma partícula qualquer, não influenciam o coeficiente de
transferência de calor entre a corrente de ar e esta partícula. Porém, é preferível usar um
coeficiente de transferência de calor corrigido, que avalia a influência das partículas junto a
uma única partícula. HIROSUE (1989) descreveu que o coeficiente de transferência de calor
pode ser relacionado com o coeficiente de transferência de calor estimado pela equação de
RANZ-MARSHALL (1952) através de um fator de correção. Também avaliou de que
maneira o fator de correção se relaciona com variáveis operacionais do secador rotatório e
com as propriedades das partículas.
Para obtenção do fator de correção para o coeficiente de transferência de calor, foi
assúmido que o coeficiente volumétrico de transferência de calor baseia-se nas seguintes
suposições:
i. A transferência de calor para as partículas em secadores e refrigeradores rotatórios só
acontece quando as partículas estão em queda.
ii. As partículas são esferas não coesivas.
41
iii. O coeficiente U
VA
é igual ao produto do número médio de partículas em queda por
unidade de volume do secador N/V, a área superficial da partícula esférica πd
p
2
e h
co
é o
correto coeficiente de transferência de calor entre uma partícula e o gás.
iv. O coeficiente h
co
é igual ao produto do coeficiente de transferência de calor h
f
calculado
pela Equação 2.78 de RANZ e MARSHALL (1952) e o fator de correção K
co
. A partir dos
resultados experimentais de MIURA et al. (1975), é mostrado que K
co
é aproximadamente
igual a unidade quando a influência das partículas da vizinhança sobre o coeficiente de
transferência de calor é pequeno, se tornando menor que a unidade quando esta influência
aumenta.
Estas suposições conduzem para:
2
VA co p co f p
N
hhd Khd
VV
ππ
==
2
N
(2.83)
onde
N é o número médio de partículas em queda, V e o volume do secador e d
p
o diâmetro
da partícula.
HIROSUE e SHINOHARA (1978) mostraram que o número médio de partículas caindo
por unidade de comprimento do secador
N /L é relacionado com variáveis operacionais do
secador rotatório pela Equação 2.84:
1,37 0,41
3
*
p
pr pr
N
p
HFrA
N
k
Ld
= kA=
(2.84)
onde H* é a carga do secador em kg,
N
A parâmetro relacionado a carga do secador e ao
diâmetros das partículas e Fr é o número de Froude (igual a (πDN)
2
/D g); k
pr
é um parâmetro
de proporcionalidade dependente do projeto dos suspensores e do secador.
Como informado por HIROSUE e SHINOHARA (1978) a equação empírica para U
VA
é:
Para a faixa 1: 3x10
5
≥
N
A ≤ 1.5x10
8
3/4
2
0,12
VA t p
N
UA hdA
π
= (2.85)
E para a faixa 2: 1,5x10
8
≥
N
A ≤ 2x10
10
1/2
2
13, 4
VA t p
N
UA hdA
π
= (2.86)
Substituindo as Equações (2.84) e (2.85) na Equação (2.83), obtém-se a Equação (2.93)
que fornece a relação entre o fator de correção K
co
e as variáveis operacionais na faixa 1.
Similarmente, a Equação (2.88) é derivada das Equações (2.83), (2.84) e (2.86).
Faixa 1:
42
1/4
37,5
co
N
KA
−
= (2.87)
Faixa 2:
1/2
4190
co
N
KA
−
= (2.88)
2.4 - Planejamento de Experimentos e a Metodologia da Superfície de Resposta
Planejar a forma como irá se desenvolver experimentos relativos a um estudo, quando o
processo envolve uma série de variáveis e estas apresentam uma larga faixa de valores, é um
procedimento bastante usual pois otimiza e direciona o trabalho para os objetivos aos quais
pretende chegar o pesquisador, além de ser uma forma adequada de organizar e tratar os
dados.
O método clássico de trabalho experimental é aquele no qual os fatores são variados um
de cada vez enquanto os demais são mantidos constantes. Este método apresenta a
desvantagem do grande número de ensaios necessários quando muitas variáveis são estudadas
e a aleatoriedade na escolha ou seleção dos valores destas variáveis.
As diversas possibilidades de combinação das variáveis que exercem influência em um
processo qualquer, propiciam condições favoráveis para que técnicas estatísticas sejam usadas
no projeto e análise dos experimentos. A técnica estatística da superfície de resposta, que tem
como base o planejamento fatorial dos experimentos (BOX et al., 1978), permite verificar os
efeitos individuais e as interações entre as variáveis, a avaliação de erros experimentais e de
regressão e o equacionamento empírico dos resultados em função das variáveis escolhidas
(MYERS, 1976).
A organização de um planejamento fatorial consiste em selecionar os fatores (variáveis
do sistema) e escolher os níveis (valores assúmidos pelas variáveis) que serão estudados. O
planejamento é representado na forma de potência, fornecendo assim o número de
experimentos a serem realizados, por exemplo: um planejamento 2
k
, sendo k = 3, indica que
dois níveis foram escolhidos para três variáveis em estudo e que oito experimentos deverão
ser realizados. Esta classe de planejamentos fatoriais é a mais simples e é útil nos casos onde
a situação experimental pode ser representada por uma equação de primeira ordem (BOX et
al., 1978).
No planejamento 2
k
a interação entre as variáveis pode ser incluída na regressão, por
exemplo, supondo que os x
11
e x
21
são níveis pesquisados e que a resposta R
es
pode ser dada
pela Equação 2.89:
43
R
es
= β
0
+ β
1
x
11
+ β
2
x
21
+ β
12
x
11
x
21
+ e
rri
(2.89)
Na Equação 2.89, β
0
, β
1
, β
2
e β
12
são coeficientes constantes e e
rr
é o erro aleatório
usado devido a incapacidade da equação em representar os valores reais da resposta (MYERS,
1976). Neste caso, β
12
x
11
x
21
representam o desvio da linearidade, e é equivalente a assumir
que o efeito de x
1
sobre a resposta R
es
depende do nível de operação de x
2
.
Planejamentos que visam obter uma superfície de resposta de 2
a
ordem necessitam de
pelo menos três níveis de estudo, são os chamados planejamentos 3
k
. Apresentam como
desvantagem a realização de um excessivo número de experimentos quando muitas variáveis
estão envolvidas (um planejamento 3
4
necessita de 81 experimentos). Em função desta
dificuldade MYERS (1976) cita que BOX e WILSON (1951), desenvolveram um método
alternativo que necessita de um menor número de experimentos e fornece uma resposta
equivalente, denominado planejamento composto central.
Na realidade este método é uma classe de planejamento fatorial de primeira ordem
acrescido de alguns pontos que permitem a estimativa de coeficientes de segunda ordem
(MYERS, 1976). Os experimentos a serem realizados são organizados em uma matriz de
planejamento, onde os níveis são representados numa forma codificada, de acordo com a
Equação 2.90.
2/][
CodVar
)1()1(
)0(i
−
ξ−ξ
ξ
−
ξ
= (2.90)
Onde:
- Var Cod – valor da variável codificada;
- ξ
i
– valor da variável não codificada;
- ξ
(0)
– valor da variável não codificada referente ao nível central;
- ξ
(1)
e ξ
(-1)
valores da variável não codificada referentes ao nível 1 e –1.
A Equação 2.89 pode ser usada para representar o ajuste proposto. Os coeficientes da
Equação 2.89 são obtidos pelo método dos mínimos quadrados e a avaliação da correlação é
feita estatisticamente através do coeficiente de correlação e pelo valor calculado para o teste
F
t
.
O valor fornecido para a estatística t
e
é dado pela razão entre o valor estimado do
parâmetro e o seu desvio padrão. BOX et al. (1978), apresentam tabelas da distribuição t
e
em
função do nível de significância. O valor do nível de significância pode ser interpretado pelo
teste de hipóteses. A hipótese de nulidade (HI
0
) diz que o parâmetro é zero, ou seja, se o nível
44
de significância encontrado for zero, indica que a probabilidade da hipótese HI
0
ser verdadeira
é de zero por cento (0%), isto é, ela é falsa, revelando que estes parâmetros são realmente
significativos.
O coeficiente de correlação compara a variância dos pontos experimentais em relação
ao ajuste proposto, com a variância da própria população de pontos experimentais (BOX et
al., 1978). Um valor do coeficiente de correlação igual a 1, indica que a correlação entre os
valores previstos e experimentais é perfeita. Um valor zero indica que não existe correlação.
Quanto mais próximo da unidade estiver o valor do coeficiente de correlação melhor será o
ajuste proposto.
Um exemplo de matriz de planejamento está na Tabela 2.2, sendo R
es
é as respostas dos
experimentos para um planejamento qualquer (Equação 2.91) e α
p
e -α
p
os níveis extremos
escolhidos pelo pesquisador para analisar as variáveis.
2
e0
11 j, ij
R
kk
s
ii iii iji j
ii i
x
x
ββ β β
== 〈
=+ + +
∑∑ ∑∑
xx (2.91)
Tabela 2.2: Matriz de planejamento para realizar um planejamento composto central
x
1
x
2
x
3
R
es
-1 -1 -1 R
es1
1 -1 -1 R
es2
-1 1 -1 R
es3
1 1 -1 R
es4
-1 -1 1 R
es5
1 -1 1 R
es6
-1 1 1 R
es7
1 1 1 R
es8
0 0 0 R
es9
0 0 0 R
es10
-α
p
0 0 R
es11
α
p
0 0 R
es12
0
-α
p
0 R
es13
0
α
p
0 R
es14
0 0
-α
p
R
es15
0 0
α
p
R
es16
45
O resíduo é a diferença entre os resultados experimentais e os previstos pela equação
teórica, Equação 2.91.
e
exp
RR
ds s s
t
R
e
=
− (2.92)
A soma dos quadrados dos resíduos previstos pela equação (SQE) é dada pela Equação
2.93.
()()
(
)
22
2
ee e
12
R R ... R
tne
ss s
tt
SQE =+++ (2.93)
Na equação 2.93
ne é o número de pontos experimentais.
A soma dos quadrados dos resíduos (SQR), é obtida pela Equação 2.94.
()
(
)
(
)
22
ee ee e e
exp 1 1 exp 2 2 exp ne
R R R R ... R R
ss ss s s
tt
SQR =−+−++ −
2
tne
(2.94)
O grau de liberdade da equação (DFE) é o número de parâmetros menos um, Equação
2.95.
(
)
1 - parâmetros de nDEF °
=
(2.95)
O grau de liberdade do resíduo (DFR) é o número de pontos experimentais menos o
número de parâmetros, Equação 2.96.
(
)
parâmetros de n-exp. pontos de nDFR °°
=
(2.96)
O quadrado médio da equação (QME) é a razão entre a soma dos quadrados dos
resultados previstos pela equação teórica e o grau de liberdade desta equação, Equação 2.103.
DFE
SQE
QME = (2.97)
O quadrado médio do resíduo (QMR) é obtido pela razão entre a soma dos quadrados
dos resíduos e os graus de liberdade do resíduo, Equação 2.98.
DF
R
SQR
QMR = (2.98)
46
CAPITULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 - Materiais
Os experimentos de secagem foram realizados com o fertilizante superfosfato simples
granulado (SSG), provenientes da fábrica de fertilizantes FERTIBRAS, empresa localizada
em Uberaba-MG. O SSG tem em sua composição aproximadamente 16 a 24% de P
2
O
5
solúvel em água, 7 a 8% de ácidos livres e outros componentes, como a água.
As propriedades físicas do fertilizante em estudo encontram-se na Tabela 3.1.
Tabela 3.1: Propriedades físicas do fertilizante.
Propriedades
d
p
(mm)
ρ
s
(g/cm
3
)
Umidade
kg/kg (base seca)
Cp*
(kcal/kgºC)
Valor 2,76 1,1 3-5 0,245
* (CADERNO DE CIÊNCIA e TECNOLOGIA, 2002)
Os valores do diâmetro médio das partículas (obtido a partir de medidas
granulométricas), da densidade (medida por Picnometria) e umidade (medido pelo método da
estufa: 24 horas em estufa com temperatura de 105 ºC ± 2ºC) foram obtidos nos laboratorios
da Faculdade de Engenharia Química.
3.2 - Unidade Experimental
A Figura 3.1 mostra um esquema da unidade experimental e a Figura 3.2 apresenta uma
fotografia da unidade.
47
10
9
7
8
1
2
3
4
5
11
6
10
9
8
1
2
3
4
5
11
6
Figura 3.1: Esquema da unidade experimental.
A unidade, apresentada na Figura 3.1, é constituída por um soprador (1) de 4 cv. A
vazão do ar era medida por um anemômetro de fio quente (2). O ar de secagem passava por
um duto de 2 m de comprimento e 0,2 m de diâmetro (3) até ser aquecido por um sistema
dotado de resistências elétricas (4) acopladas a um variador de voltagem (5). A alimentação
dos sólidos era feita através de uma rosca sem fim (6). Anterior a alimentação, os sólidos
ficavam armazenados em um recipiente (7). A potência necessária ao funcionamento da rosca
sem fim e à rotação da parte cilíndrica do secador era gerada por motores elétricos (8) e (9). O
corpo do secador era cilíndrico com 0,6 m de comprimento e 0,25 m de diâmetro (10). As
temperaturas eram medidas com auxílio de termopares acoplados a um mostrador digital (11).
Figura 3.2: Fotografia da unidade experimental
A unidade experimental de secagem, montada no Laboratório de Sistemas Particulados
da Faculdade de Engenharia Química da UFU, permite a utilização das duas configurações do
secador rotatório e a realização de ensaios nas mesmas condições operacionais, em ambas
configurações: rotatório convencional e roto-fluidizado.
48
3.2.1 - O Secador Rotatório Convencional
A Figura 3.3 apresenta um esquema do secador rotatório na configuração convencional,
com escoamento do sólido em contracorrente com o ar de secagem. Na Figura 3.4 tem-se uma
fotografia interna do secador rotatório convencional, aberto para melhor visualização. Nesta
figura pode-se observar as peças suspensores ao longo da região interna da circunferência do
cilindro. O secador rotatório na configuração convencional permitia operação com 7, 4 e 2
suspensores igualmente espaçados entre si, além da configuração com ausência de
suspensores.
Figura 3.3: Esquema do secador rotatório na configuração convencional.
Ar
Figura 3.4: Foto da região interna do secador rotatório convencional.
49
3.2.2 - Secador Roto-fluidizado
O secador roto-fluidizado teve sua concepção baseada no secador rotatório
convencional. Este secador, igualmente ao secador rotatório, consiste de um cilindro rotatório
levemente inclinado em relação a horizontal (Figura 3.5).
Alimentação de gás
Alimentação de material
Saída do material
Cilindro rotatório
Saída do gás
Figura 3.5: Esquema estrutural de um secador roto-fluidizado.
A principal diferença entre o secador roto-fluidizado e o secador rotatório convencional
consiste no mecanismo usado em cada um para aumentar a troca térmica entre o material a ser
seco e o gás de secagem. Enquanto o secador convencional utiliza-se de suspensores
longitudinais situados na região interna do cilindro rotatório para obtenção de um maior
contato gás-particulas, o secador roto-fluidizado possui um sistema de distribuição do gás que
permite a fluidização das partículas do material úmido, com propósito de aumentar as taxa de
transferência de calor e massa entre o gás e o material. No secador roto-fluidizado não há a
presença de suspensores, pois neste não é o fluxo de material que é direcionado ao gás de
secagem, como ocorre no secador convencional, mas sim o inverso, o gás de secagem é
direcionado ao material úmido pelo sistema de fluidização.
No secador roto-fluidizado, o ar é injetado em um tubo central dotado de vários tubos
menores fixados perpendicularmente (Figura 3.6). O ar que sai dos tubos menores encontra os
sólidos em escoamento no tambor, realizando a “fluidização” (Figura 3.7).
50
Figura 3.6: Esquema do secador rotatório na configuração roto-fluidizado.
Figura 3.7: Foto da região interna do secador roto-fluidizado.
A inclinação, comprimento e diâmetro do secador foram definidos na etapa de projeto
do equipamento. O cilindro do secador rotatório em estudo, tanto na configuração
convencional quanto na configuração roto fluidizado foi o mesmo. Sua inclinação em relação
ao plano horizontal era de 5 graus. A relação entre o comprimento e o diâmetro foi igual a 2,4.
3.3 - Metodologia para Caracterização do Derramamento de Sólidos dos Suspensores.
No presente trabalho é apresentado o equacionamento para suspensores de dois
segmentos, com um ângulo α
A
qualquer, entre os seguimentos. O suspensor de dois
segmentos é apresentado na Figura 3.8.
51
Y
X
y
x
N
ível do material
W
A
l
l
’
θ
φ
O
R
0
α
A
δ
B
Figura 3.8: Esquema de um suspensor de 2 segmentos
Este suspensor pode ser caracterizado pelo comprimento dos segmentos l’ (segmento 1)
e l (segmento 2), pelo ângulo entre os dois segmentos (
α
A
) e o raio (R
o
) do círculo descrito
pela ponta do suspensor (O) com o centro do tambor giratório. Dois grupos de coordenadas
cartesianas são considerados. A origem (x,y) de um destes grupos é a ponta dos suspensores,
estando o eixo x ao longo do primeiro segmento e o eixo y perpendicular a este. Este grupo de
coordenadas se movimenta de acordo com o giro dos suspensores. A origem do outro grupo
de coordenadas (X, Y) está situada no centro do tambor, é estacionária e o eixo X fica na
horizontal.
Para calcular o volume de material nos suspensores, as coordenadas dos pontos A e B
são primeiramente calculadas (ver Figura 3.8), o ângulo δ entre os dois grupos de
coordenadas é examinado e o volume de material é finalmente obtido.
O equacionamento para os suspensores de dois segmentos pode ser obtido pelas
Equações 3.1 e 3.2:
• segmento 1:
y
1
= 0 (3.1)
• segmento 2:
y
2
= a
2
+ b
2
x (3.2)
com: a
2
= x
A
tang(α
A
) e b
2
= -tang(α
A
)
As coordenadas dos pontos A e B são dadas por:
• ponto A:
x
A
= l’ (3.3)
52
y
A
= 0 (3.4)
• ponto B:
x
B
= x
A
– lcos(α
A
) (3.5)
y
B
= lsen(α
A
) (3.6)
No grupo das coordenadas estacionárias, a posição do ponto B, desde que este fique
situado na parede do tambor de raio R, tem que satisfazer a seguinte equação:
22
BB
2
X
YR
+
= (3.7)
Os dois grupos de coordenadas estão relacionados pelas seguintes equações:
0
cos( ) ( )
BB B
X
Xx ysen
δ
δ
=+ −
0
cos() cos() ()
BB
R
xysen
θ
δδ
=
+− (3.8)
0
cos( ) ( )
BB B
YYy xsen
δ
δ
=+ −
0
() cos() ()
BB
Rsen y xsen
θ
δδ
=
+− (3.9)
Substituindo as Equações 3.8 e 3.9 na Equação 3.7 tem-se uma equação que pode ser
resolvida para δ, para qualquer posição do ângulo θ especificada.
A Equação 3.10 para a linha do nível dos sólidos no suspensor é determinada por :
tan( ) tan( )yx x
γ
φδ
=
=− (3.10)
A interseção da linha do nível dos sólidos com a linha formada pelo segundo segmento
possui a abscissa representada pela relação 3.11:
2
2
2
tan( )
a
x
b
γ
=
−
(3.11)
com a ordenada:
222
yabx
2
=
+ (3.12)
A interseção da linha do nível dos sólidos com a parede do tambor possui a seguinte
abscissa:
2
4
2
www
w
w
w
B
BAC
x
A
±−
=− (3.13)
Com: A
w
=1+[tan(γ)]
2
; B
w
=2X
o
[cos(δ)–tan(γ)sen(δ)]+2y
o
[tan(γ)cos(δ)+sen(δ)]; C
w
=Ro
2
+R
2
.
Sua ordenada é dada por:
tan( )
ww
yx
γ
=
(3.14)
São três os tipos de carregamento de partículas nos suspensores:
53
• As partículas alcançam a parede do secador. Isto acontecerá se:
tan
B
B
y
arc
x
γ
⎛⎞
>
⎜
⎝⎠
⎟
(3.15)
sendo a área da seção ocupada pelos sólidos dada pela relação 3.16:
[]
2
1
()
22
AB BA Bw wB
R
S sen xy xy xy xy
ββ
=− + −+−
(3.16)
com:
22
()( )
2
2
Bw BW
xx yy
arcsen
R
β
⎡
⎤
−+−
⎢
⎥
=
⎢
⎥
⎣
⎦
(3.17)
• As partículas não alcançam a parede, mas alcançam o segundo segmento. Isto
acontecerá satisfazer a Equação 3.18:
tan
B
B
y
arc
x
γ
⎛⎞
<
⎜⎟
⎝⎠
e
22
22
()()
AA
x
xyyl
−
+− <
2
0y > e (3.18)
sendo a área da seção transversal ocupada pelo material dada por:
2
1
2
A
Sxy= (3.19)
• O suspensor se encontrara vazio quando:
2
0y
<
(3.20)
O máximo carregamento de um suspensor é obtido para a posição de θ = - 90º. Em
ângulos entre – 90º e 0º (- π/2 e 0 radianos), a carga retida nos suspensores pode ser obtida
assumindo uma “imagem espelho’’, isto é, a quantidade de sólidos perdida pelo suspensor
quando este gira de θ < 0 para 0 é igual à quantidade perdida quando este gira de 0 para
θ
:
() (0) (0) ( )SS SS
θ
θ
=
+⎡ − ⎤
⎣
⎦
(3.21)
O equacionamento que acaba de ser apresentado foi desenvolvido baseando-se no
trabalho de REVOL et al. (2001) que utiliza suspensores de 3 segmentos. Este
equacionamento será utilizado para a previsão da variação da carga nos suspensores com a
posição angular dos mesmos (θ). A previsão por estas equações foi comparada com dados
experimentais obtidos em um secador rotatório em escala piloto operando com fertilizantes.
Esta comparação está apresentada no Capitulo 4 (Resultados).
54
O cálculo da quantidade de material despejada pelos suspensores quando estes mudam
de posição, do comprimento médio de queda das partículas dos suspensores e da posição
angular média de queda das partículas dos suspensores é realizado pelas Equações 2.20, 2.26
e 2.28, respectivamente.
3.4 - Metodologia Experimental
Os experimentos eram iniciados pelo ajuste das variáveis nas condições estabelecidas
pelo planejamento experimental. Atingidas as condições desejadas, esperava-se um tempo
equivalente a dois tempos de residência dos sólidos no secador para iniciar a coleta dos
sólidos destinados às medidas de umidade e temperatura.
3.4.1 - Medidas de Temperatura
A temperatura do ar, na entrada e na saída do secador, era medida utilizando-se
termopares de cobre-constantan, previamente calibrados em banhos termostáticos com
termômetro padrão de precisão 0,05
o
C. A temperatura dos sólidos, na entrada e saída,
também era medida por termopares, cobre-constantan. A leitura das temperaturas era
realizada através de mostradores digitais acoplados aos termopares.
3.4.2 - Medidas de Vazão
A vazão do ar de secagem era medida por um anemômetro de fio quente. A vazão de
sólidos foi obtida pela coleta periódica de amostra na saída do leito e pesagem em balança
analítica digital de precisão 10
-2
g.
3.4.3 - Medidas de Umidade
A determinação da umidade relativa do ar era realizada através de medidas de
temperaturas de bulbo seco e úmido, sendo confirmadas por um termo-higrômetro. A
umidade dos sólidos era obtida pelo método da estufa. As amostras de fertilizantes eram
colocadas em uma estufa com temperatura de 105 ±2
o
C por 24 horas, tendo a massa úmida e a
massa seca das amostras medida em balança analítica digital de precisão 10
-4
g antes e depois
do período na estufa.
55
3.4.4 - Medidas do Tempo de Residência
Para as medidas do tempo de residência usava-se traçadores. Os traçadores eram
partículas, do próprio fertilizante, tingidas de uma determinada cor. A cor azul foi escolhida
pelo fato de ter grande contraste em relação à cor natural do fertilizante, tornando assim os
grãos tingidos bastante visíveis. Os traçadores eram introduzidos para dentro do secador em
forma de pulso. Um cronômetro era acionado imediatamente a introdução dos traçadores. O
tempo em que a primeira partícula deixava o secador era anotado. Posterior a saída da
primeira partícula de traçador, efetuava-se coletas de material a cada 30 segundos e então era
contada a quantidade de traçador em cada coleta. Com a quantidade de traçador calculava-se a
fração deste para cada tempo. Era então montada uma curva da fração de material em função
do tempo de residência. O calculo da área sob curva fornecia o tempo médio de residência das
partículas. Este cálculo foi realizado utilizando integração numérica pela Regra do Trapézio
Composta.
3.4.5 - Metodologia para Umedecimento do Fertilizante.
Anteriormente ao processo de sua secagem, o fertilizante era umidificado até que se
atingisse a umidade pretendida. Inicialmente media-se a umidade do fertilizante pelo método
da estufa. Conhecida a umidade era feito o cálculo, através de balanços de massa, para
conhecer a quantidade de água a ser fornecida para que o fertilizante atingisse a umidade
pretendida. Conhecida a quantidade de água, esta era fornecida por meio de um bico
atomizador. Eram separados lotes de material com 5 kg. A cada lote era fornecida a
quantidade de água necessária em forma de uma nevoa, e o material ficava em constante
processo de mistura para garantir uma boa homogeneização.
3.4.6 - Estudo das Condições Limites de Operação do Secador em Escala Piloto
Anteriormente ao período de obtenção de dados para avaliação do desempenho do
secador rotatório em ambas as configurações, foi feito o estudo para conhecimento dos limites
de operação do equipamento em escala piloto. Nesse estudo avaliou-se o seguinte:
56
Rotação do cilindro: Foram realizados testes para verificar qual a faixa de rotação que o
secador em estudo podia operar. A medida do número de rotação foi feita através da
contagem de quantos giros de 360º o cilindro efetuava durante um período de um minuto.
Taxa de alimentação do ar de secagem: Para a configuração convencional foi verificado
qual o limite máximo de vazão de ar em que era possível operar o secador sem que houvesse
um arraste excessivo de partículas pelo gás. Fixava-se uma vazão de ar, efetuava-se sua
medida, e então era verificada a sua influência sobre a vazão de sólidos e sobra a carga do
secador. O teste foi realizado para diferentes valores de vazão de ar.
Temperatura do gás de secagem: Para diferentes condições de vazão foi identificada
qual a temperatura que o gás podia atingir sem que as resistências responsáveis pelo
aquecimento não ficassem sobrecarregadas. Depois de estabelecida uma vazão de ar, ajustava-
se uma voltagem no variac, e media-se a corrente que passava pela resistência por meio de um
amperímetro. Para cada ajuste de voltagem, media-se também a temperatura do gás. Então
anotava-se a temperatura do gás referente à determinada vazão, e através de um voltímetro,
verificava-se se a corrente necessária para atingir tal temperatura danificava o sistema de
resistências.
Taxa de alimentação de fertilizante: O sistema de alimentação de fertilizante no secador
era constituído por uma rosca sem fim. Foi feita uma análise para verificação da máxima e
mínima vazão de sólidos possível. A rosca sem fim era colocada em movimento por um
motor elétrico de 0,5 cv. Este motor possuía um sistema que controlava a corrente de
alimentação. Através deste controle a velocidade de rotação da rosca sem fim era ajustada.
Após o ajuste da velocidade de rotação da rosca sem fim era aguardado um período para que o
sistema entrasse em regime, e então era medida a quantidade de material transportado durante
um determinado período de tempo.
3.4.7 - Avaliação do Número de Suspensores
Foi realizado um estudo para avaliar o efeito do efeito do número de suspensores no
desempenho do secador rotatório convencional. Para isso foi elaborado um planejamento
fatorial com três variáveis a dois níveis (BOX et all., 1978). As variáveis estudadas foram:
vazão de sólidos úmidos W
u
; rotação, N
R
e o número de suspensores, N. Para estas variáveis
foram analisadas as seguintes respostas: tempo de residência e taxa de secagem. A Tabela 3.2
apresenta os níveis de cada variável e a Tabela 3.3 apresentada as condições de operação para
57
cada experimento realizado para verificação da influência dos suspensores no desempenho do
secador rotatório convencional.
Tabela 3.2: Níveis das variáveis para estudo do número de suspensores.
Variável Nível Inferior Nível Superior
Taxa de Sólidos Úmidos, W
u
[Kg/min]
0,33 0,67
Rotação, N
R
[rpm]
2,65 5,55
Número de suspensores, N
[-]
4 7
Tabela 3.3: Condições de operação experimentais para avaliação do número de suspensores
Experimento
Taxa de sólidos
[kg/min]
Rotação
[rpm]
Suspensores
[-]
1 0,67 5,55 7
2 0,67 5,55 4
3 0,67 2,65 7
4 0,67 2,65 4
5 0,33 5,55 7
6 0,33 5,55 4
7 0,33 2,65 7
8 0,33 2,65 4
Foram realizados ainda, em paralelo ao planejamento experimental, 4 experimentos com
ausência de suspensores e 4 experimentos com 2 suspensores (Tabela 3.4).
Tabela 3.4: Experimentos extras para avaliação do número de suspensores.
9 0,67 5,55 2
10 0,67 2,65 2
11 0,33 5,55 2
58
12 0,33 2,65 2
13 0,67 5,55 0
14 0,67 2,65 0
15 0,33 5,55 0
16 0,33 2,65 0
Para todos os experimentos realizados neste planejamento a inclinação do cilindro do
secador era de 5º, a vazão e temperatura do ar de secagem eram de 4,9 m
3
/min e 110 ºC,
respectivamente. Os sólidos eram alimentados com umidade na faixa de 0,12 a 0,13 kg de
água/kg de sólido seco, sua temperatura de alimentação era igual à temperatura ambiente.
Estabelecidas as condições do experimento em estudo, a temperatura do ar, na entrada e
na saída do secador, era medida (ao longo dos experimentos, 5 valores da temperatura do ar
na entrada e 5 na saída eram anotados). Era determinada também a umidade absoluta do ar na
entrada do secador através de medidas de temperaturas de bulbo seco e úmido. Os
experimentos de secagem foram realizados em um período do ano (abril a setembro) em que a
umidade do ar permaneceu na faixa 0,010 a 0,012 kg de água por kg de ar seco.
Para cada experimento era medido o tempo médio de residência pelo método dos
traçadores. Foi também medida a carga do secador, para isto o equipamento era parado e todo
o material contido em seu anterior era retirado e posteriormente pesado em balança digital de
precisão 10
-2
g.
Para o cálculo da taxa de secagem, amostras de fertilizantes na entrada e saída do
secador eram retiradas durante os experimentos. Ao todo eram retiradas três (3) amostras de
material na entrada e quinze (15) amostras na saída. O menor número de amostras da entrada
deve-se ao fato que o material alimentado era proveniente de um processo anterior de
umidificação, no qual sua umidade era medida e ajustada. Com a diferença de umidade entre
o material na entrada e na saída calculava-se a quantidade de água evaporada, e através do seu
valor e do tempo médio de residência calculava-se a taxa de secagem em cada experimento.
3.4.8 - Medida do Coeficiente Dinâmico de Fricção do Fertilizante Superfosfato Simples,
da Quantidade de Carga e da Altura de Queda das Partículas para Cada Posição do
Suspensor:
59
Para medida do coeficiente dinâmico de fricção, da quantidade de material e do
comprimento de queda das partículas para diferentes posições angulares do suspensor foi
realizado um planejamento fatorial com três variáveis a dois níveis. As variáveis estudadas
foram: vazão de sólidos (W), rotação (N
R
) e umidade do fertilizante (M). A Tabela 3.5
apresenta os níveis de cada variável e a Tabela 3.6 apresentada as condições de operação para
cada experimento realizado.
Tabela 3.5: Níveis das variáveis para estudo do coeficiente de fricção.
Variável (unidade)
Adimensional
Nível
Inferior
Nível
Superior
Vazão de Sólidos, W
(Kg/min)
0,33 0,67
Rotação, N
R
(rpm)
2,65 5,55
Umidade, M
(kg de água/kg de fertilizante seco)
0,08 0,12
Tabela 3.6: Condições de operação para cálculo do coeficiente de fricção.
Experimento
Taxa de sólidos
[kg/min]
Rotação
[rpm]
Umidade
[base seca]
1 0,67 5,55 0,08
2 0,67 5,55 0,12
3 0,67 2,65 0,08
4 0,67 2,65 0,12
5 0,33 5,55 0,08
6 0,33 5,55 0,12
7 0,33 2,65 0,08
8 0,33 2,65 0,12
O secador para este planejamento era colocado na configuração convencional, com 7
suspensores, que foi a configuração que apresentou os melhores resultados na etapa anterior (
ver item 4.2.1), a inclinação do cilindro do secador era de 5º. Não havia alimentação de ar.
Para medida do ângulo característico (φ) foram tiradas fotografias da parte interna do
equipamento para todas as condições de operação determinadas pelo planejamento
experimental (veja Figura 3.9, com a indicação φ e θ).
60
θ
φ
Figura 3.9: Vista típica da região interna do secador para medida do ângulo característico.
Em todos os experimentos foi medido o tempo médio de residência dos sólidos e a
carga de material presente dentro do secador. Para medida da carga, como relatado
anteriormente, o secador era parado e todo o material contido em seu anterior era retirado e
posteriormente pesado em balança digital de precisão 10
-2
g.
Para cada imagem obtida, as posições angulares do suspensor (θ) e o ângulo
característico eram medidas através do software Global Lab Image 2. Foram tiradas
fotografias para diferentes posições angulares dos suspensores.
Com a obtenção experimental do ângulo característico calculava-se o coeficiente de
fricção do fertilizante superfosfato simples, por meio da Equação 3.22, que é originada de um
rearranjo da Equação 2.18:
()
2
0
2
0
(cos tan ) tan
tan cos 1
R
R
N
Rsen
g
N
Rsen
g
θ
φθ φ
µ
φθ θ
+−
=
+−
(3.22)
A medida da carga de sólidos nos suspensores era realizada de maneira direta, ou seja, a
carga do suspensor era retirada e posteriormente quantificada. O procedimento de medida era
constituído das seguintes etapas: etapa 1: o cilindro do secador era colocado em movimento
rotatório e em seguida parado; etapa 2: com o cilindro parado a carga dos suspensores,
61
situados em diferentes posições angulares no interior do secador, era retirada; etapa 3: o
material colhido era levado à uma balança de precisão 10
-2
g e sua massa era medida. As
etapas foram repetidas até que uma considerável faixa de posições dos suspensores foi obtida.
Para medida do comprimento de queda das partículas dos suspensores, o cilindro do
secador era colocado em movimento e posteriormente parado repetidas vezes, de tal forma
que os suspensores fixados em seu interior experimentassem diferentes posições angulares.
Para cada posição angular, de um determinado suspensor, o comprimento de queda das
partículas era medido. O comprimento de queda, medido neste trabalho, consiste na distância,
em linha reta, entre a ponta do suspensor, onde os sólidos iniciam a cascata, até o leito de
sólidos na parte inferior do secador. A medida desta distância era realizada por meio de uma
régua de precisão.
3.5 - Comparação entre o Desempenho do Secador Rotatório Convencional e o Secador
Roto-fluidizado.
Para a comparação entre o desempenho dos secadores convencional e roto-fluidizado
foi realizado um planejamento fatorial do tipo composto central com 4 replicas no centro,
sendo que o nível extremo (α) foi escolhido tendo em vista a obtenção de um planejamento
ortogonal, ou seja, a matriz de variância e covariância dos parâmetros é diagonal e todos os
parâmetros não são correlacionados entre si: (BOX, et al., 1978). O valor de alfa (α) foi igual
a 1,4142. Foram realizados 18 experimentos para o secador na configuração convencional, e
18 experimentos para o secador na configuração roto-fluidizado, nas mesmas condições
operacionais. Neste experimentos era verificado os efeitos da vazão e temperatura do ar, e da
vazão de sólidos, sobre o tempo médio de residência, temperatura de saída dos sólidos e taxa
de secagem.
A Tabela 3.7 apresenta os níveis de cada variável e a Tabela 3.8 apresenta as condições
de operação para cada experimento realizado para comparação entre o desempenho dos
secadores rotatórios: convencional e roto-fluidizado.
Tabela 3.7: Níveis das variáveis para comparação entre as duas configurações de secadores.
Variável
Nível
- α
e
Nível
(-1)
Nível
central
Nível
(1)
Nível
α
e
62
Vazão de ar,G
[m
3
/min]
4,7 4,9 5,5 6,1 6,4
Temperatura ar, T
G
[ºC]
85,9 90 100 110 114,1
Taxa de sólidos, W
u
[kg/min]
0,26 0,33 0,50 0,67 0,74
Para todos os experimentos realizados, tanto na configuração do secador convencional
quanto na configuração do secador roto fluidizado, a parte cilíndrica do secador foi a mesma
(com 0,6 m de comprimento e 0,25 m de diâmetro). A inclinação e a rotação também foram as
mesmas, 5º e 5 rpm, respectivamente. Os sólidos eram alimentados com temperatura ambiente
e umidade na faixa de 0,12 a 0,13 kg de água / kg de sólido seco. A configuração
convencional possuía em seu interior 7 peças suspensoras.
Tabela 3.8: Experimentos para comparação entre o desempenho dos dois secadores.
Experimento
Vazão de ar
[m
3
/min]
Temperatura do ar
[ºC]
Taxa de sólidos
[kg/min]
1 6,1 110 0,67
2 6,1 110 0,33
3 6,1 90 0,67
4 6,1 90 0,33
5 4,9 110 0,67
6 4,9 110 0,33
7 4,9 90 0,67
8 4,9 90 0,33
9 4,65 100 0,50
10 6,35 100 0,50
11 5,5 85,9 0,50
12 5,5 114,1 0,50
63
13 5,5 100 0,26
14 5,5 100 0,74
15 5,5 100 0,50
16 5,5 100 0,50
17 5,5 100 0,50
18 5,5 100 0,50
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
4.1 - Condições Limites de Operação para o Secador em Escala Piloto Estudado.
A verificação dos limites de operação para o secador rotatório montado em laboratório
apresentou os seguintes resultados mostrados na Tabela 4.1.
Tabela 4.1: Limites de operação para rotação, vazão de ar e vazão de sólidos.
Limites
Variável Mínimo Máximo
Rotação [rpm] 2,65 5,55
Vazão de ar [m
3
/min] - 15,7
Taxa de sólidos [kg/min] 0,20 0,95
A faixa de operação para a rotação do cilindro do secador foi limitada a uma variação de
2,9 rpm. Esta limitação era física, devido ao equipamento. Pelo fato do limite superior de
rotação ser igual a 5,55 rpm, optou-se pelo uso de suspensores angulares de 2 segmentos, com
ângulo entre os dois segmentos igual a 126º. Esta escolha se deve ao fato destes suspensores
despejar os sólidos na região de θ entre 0 e aproximadamente 120º. Suspensores com menores
ângulos entre os seguimentos se tornam totalmente vazios para θ maior que 120º, o que faz
64
com que o material a ser seco fique um longo tempo preso nos suspensores (região de
pequeno contato entre o gás de secagem e o material a ser seco) quando a velocidade de
rotação é baixa, prejudicando o processo de secagem.
Para vazões de ar inferiores a 15,7 m
3
/min (velocidade 5,35 m/s) foi notado que o
arraste de partículas não era grande o suficiente para prejudicar o escoamento de material da
entrada do suspensor até sua saída. Acima de 15,7 m
3
/min os sólidos eram arrastados para
dentro do secador e o acúmulo de material dentro deste tornava-se excessivo, prejudicando o
processo de secagem. Foi notado ainda, para valores da vazão do ar superiores a 15,7 m
3
/min,
derramamento de sólidos devido à sobrecarga do secador.
Os sólidos eram alimentados no secador rotatório por meio de um sistema constituído
de uma rosca sem fim. A vazão de sólidos alimentados era diretamente relacionada com a
rotação do eixo onde se sustenta a rosca sem fim. Quanto maior a velocidade de rotação do
eixo maior a vazão de alimentação de sólidos. Como um motor elétrico fornecia trabalho ao
parafuso sem fim, a rotação do eixo era definida por um sistema de controle de velocidade do
mesmo através da quantidade de energia fornecida ao motor. Quando a quantidade de corrente
elétrica fornecida ao motor era diminuída, o motor perdia força e a rotação do eixo também
diminuía, fazendo com que a alimentação de sólidos fosse reduzida. A mínima alimentação
alcançada era de 200 g/min, abaixo deste valor o motor parava, cessando a alimentação. Com
a maior transferência de energia para o motor conseguia-se uma alimentação máxima para o
sistema de 950 g/min.
4.2 - Resultados para o Secador Rotatório Convencional
4.2.1 - Avaliação do Número de Suspensores.
A Tabela 4.2 mostra os resultados experimentais referentes ao estudo da influência do
número de suspensores, rotação e vazão de sólidos sobre a taxa de secagem e o tempo médio
de residência (TMR).
Tabela 4.2: Resultados experimentais para o estudo do efeito do número de suspensores.
Vazão de
sólidos, W
u
.
[kg/min]
Rotação,
N
R
.
[rpm]
Número de
suspensores, N.
[-]
Tempo Médio
de Residência.
[min]
Taxa de Secagem.
[10
3
min
-1
]
0,67 5,55 7
5,4 4,54
0,67 5,55 4
4,7 3,55
65
0,67 2,65 7
7,8 2,37
0,67 2,65 4
6,5 2,18
0,33 5,55 7
7,5 4,84
0,33 5,55 4
6,0 4,14
0,33 2,65 7
10,9 3,20
0,33 2,65 4
9,3 2,71
0,67 5,55 2
3,8 2,65
0,67 2,65 2
5,3 2,08
0,33 5,55 2
4,9 3,78
0,33 2,65 2
6,6 2,65
0,67 5,55 0
2,8 2,22
0,67 2,65 0
3,9 2,00
0,33 5,55 0
3,4 3,37
0,33 2,65 0
4,9 2,60
A Figura 4.1 mostra a variação da taxa de secagem do fertilizante em relação ao número
de suspensores, a vazão de sólidos e a rotação do cilindro do secador.
0246
Número de Suspensores.
8
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
Taxa de secagem [10^3 min^-1]
2.65 rpm e W=0.33 kg/min
2.65 rpm e W=0.67 kg/min
5.55 rpm e W=0.33 kg/min
5.55 rpm e W=0.67 kg/min
Figura 4.1: Variação da taxa de secagem com o número de suspensores em diferentes
rotações
Através da análise dos resultados da Tabela 4.2 e da Figura 4.1, verifica-se que para as
mesmas condições de alimentação e rotação, tanto o tempo de residência quanto a taxa de
66
secagem aumentam com o aumento do número de suspensores. Em relação à rotação, o
aumento desta, mantendo as demais variáveis constantes, leva a uma elevação na taxa de
secagem e uma diminuição no tempo de residência. A diminuição da vazão de sólidos faz,
como esperado, que a taxa de secagem e o tempo de residência aumentem.
O número ideal de suspensores pode ser obtido de diferentes maneiras. Segundo
(BAKER 1983), o número ideal de suspensores deve ser tal que o volume de sólidos
carregado por estes esteja situado entre 10 a 15% do volume total de sólidos presentes no
secador. Este fato está relacionado ao carregamento ótimo do secador. Valores inferiores a
esta faixa, implicam em desperdício de energia e valores superiores levam a uma
heterogeneidade e má qualidade do produto final. Para o secador rotatório convencional
estudado neste trabalho, na configuração com 7 suspensores, o volume de material processado
pelos suspensores, em cada experimento, correspondeu em média a 16,0% do volume total de
material do secador, sendo um valor bem próximo ao recomendado por BAKER (1983). Para
os demais números de suspensores, o carregamento foi inferior a faixa recomendada. A
cálculo da carga de sólidos no suspensor (h*) foi realizada utilizando o equacionamento
proposto no item 3.3 e a Equação 2.19.
PERRY e GREEN (1999) sugeriram que o secador rotatório com cascateamento deve
operar em uma faixa de 10 a 15% do seu volume ocupado pelos sólidos e que o número de
suspensores seja igual 2,4 a 3 vezes o diâmetro do secador em ft. Na metodologia de projeto
proposta por VAN’T LAND (1991), o número de suspensores é dado como sendo de 2 a 3
vezes o diâmetro do secador em ft. Como observado na Tabela 4.3, a fração do volume do
secador ocupada pelos sólidos esteve dentro da faixa recomendada por PERRY e GREEN
(1999) para a configuração do secador rotatório com 7 suspensores.
Tabela 4.3: Fração do volume do secador ocupada pelos sólidos para diferentes números de
suspensores.
Vazão de sólidos, W.
[kg/min]
Rotação, N
R
.
[rpm]
Número de
suspensores, N.
[-]
Fração do volume do
secador ocupada pelos
sólidos
[%]
0,67 5,55 7
10,6
0,67 5,55 4 8,6
0,67 2.65 7
12,5
0,67 2,65 4 9,1
0,33 5,55 7
9,7
0,33 5,55 4 6,2
0,33 2,65 7
11,6
67
0,33 2,65 4 8,7
0,67 5,55 2 6,7
0,67 2,65 2 8,8
0,33 5,55 2 5,5
0,33 2,65 2 5,8
0,67 5,55 0 4,3
0,67 2,65 0 4,6
0,33 5,55 0 2,8
0,33 2,65 0 3,4
Para as configurações com 4, 2 e 0 suspensores os valores obtidos para a fração do
volume do secador ocupado pelos sólidos estiveram abaixo da faixa recomendada. Os teste
experimentais também mostraram, através da análise de desempenho do secador, que a
metodologia sugerida por PERRY e GREEN (1999) e VAN’T LAND (1991), para cálculo do
número de suspensores, tem aplicação inadequada para o projeto do secador convencional em
escala piloto apresentado neste trabalho, pois estas metodologias conduzem a um número de
suspensores pequeno, que não se enquadra na faixa recomendada para o volume ocupado
pelos sólidos.
Conclui-se, portanto, que o número ideal de suspensores é 7, pois esta foi a condição
que apresentou as maiores taxas de secagem, estando também dentro da faixa de transporte de
material recomendada. Os experimentos posteriores para cálculo do desempenho do secador
rotatório convencional foram realizados com a configuração de 7 suspensores.
4.2.2 - Coeficiente dinâmico de fricção
Para o cálculo do coeficiente dinâmico de fricção faz-se necessário o conhecimento do
ângulo característico (φ) para diferentes posições angulares do suspensor.
Os valores experimentais do ângulo característicos, medidos conforme metodologia
apresentada no item 3.4.8 do capítulo de Materiais e Métodos, para diferentes posições
angulares (θ) e umidade do fertilizante são mostrados na Tabela 4.4.
Tabela 4.4: Ângulo característico para o fertilizante superfosfato simples.
Experimento
Umidade
kg de água/kg de sólido
seco
θ
[º]
φ
[º]
µ
[-]
17
45 1,00
1 0,08 29
46 1,03
36
44 0,96
26
44 0,96
68
2 0,12 51
45 1,00
10
45 1,01
47
45 0,96
3 0,08 26
44 0,96
63
44 1,00
8
45 1,03
4 0,12 54
46 1,02
29
46 1,01
44
45 0,96
5 0,08 29
44 0,96
50
44 1,00
25
45 1,03
6 0,12 50
46 0,96
38
44 1,03
21
46 0,96
7 0,08 39
44 1,03
33
46 0,97
42
44 0,96
8 0,12 73
44 1,03
59
46 1,00
A Figura 4.2 mostra os resultados para o coeficiente dinâmico de fricção (µ) do
superfosfato simples em função da posição angular do suspensor, para o material com
umidade de 0,08 e 0,12 kg de água/kg de sólido seco. Os cálculos para obtenção deste
coeficiente foram feitos a partir das medidas experimentais do ângulo característico e da
Equação 3.22, apresentada no item 3.4.8 do capítulo Materiais e Métodos.
69
10 20 30 40 50 60 70
Posição an
g
ular do suspensor,
θ
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
Coeficiente dinâmico de fricção,
µ
umidade 0,12 kg/kg
umidade 0,08 kg/kg
Figura 4.2: Coeficiente dinâmico de fricção do superfosfato simples, com conteúdo de
umidade de 0,08 e 0,12 (base seca), em função da posição angular do suspensor.
Observa-se nos resultados da Figura 4.2, que o coeficiente dinâmico de fricção foi
praticamente independente da posição angular do suspensor. Esta independência é explicada
pelo fato da força gravitacional ser muito maior que a força centrífuga para os experimentos
realizados neste trabalho, devido a baixa velocidade de rotação do tambor. Desta maneira,
como observado na Equação 3.22, o fato dos termos relacionados à posição angular serem
multiplicados pela razão entre a força centrifuga e a força gravitacional faz com que a parcela
relacionada a (θ) tenda a zero. Este resultado é condizente com outros trabalhos da literatura
(REVOL et all., 2001). Para os resultados mostrados na Figura 4.3, o intervalo de confiança
de 95% para o coeficiente dinâmico de fricção ficou entre (0,974; 1,015), com um valor
médio de 0,994.
Obtido o coeficiente dinâmico de fricção foi possível verificar a influência da razão
entre a força centrífuga e a força gravitacional (R
0
N
2
R
/g) sobre o ângulo característico (φ). A
Figura 4.3 mostra a variação do ângulo característico colocado na forma de tan(φ), para
diferentes posições angulares (θ), em relação a (R
0
N
2
R
/g) segundo a Equação 2.12 do item
2.3.2.1 do capítulo Revisão Bibliográfica.
70
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
R0*NR^2/g
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
1.30
tan (
φ)
θ=0
θ=60
θ=90
θ=120
θ=180
Figura 4.3: Relação entre o ângulo característico(φ) e a razão entre as forças centrífuga e
gravitacional (R
0
N
2
R
/g), para µ = 0,994.
A Figura 4.4 mostra os dados do coeficiente dinâmico de fricção (µ) para dois valores
de umidade dos sólidos.
04812
Umidade dos sólidos, kg/kg (base seca)
16
0.90
0.92
0.94
0.96
0.98
1.00
1.02
1.04
1.06
1.08
1.10
Coeficiente dinâmico de fricção,
µ
Figura 4.4: Efeito da umidade dos sólidos no coeficiente dinâmico de fricção.
Observa-se nos resultados apresentados na Figura 4.4 que o coeficiente dinâmico de
fricção(µ) permanece em uma faixa constante, quando a umidade do fertilizante foi
aumentada de 0,08 para 0,12 kg água/kg de sólido seco. Portanto, para o fertilizante
superfosfato simples utilizado neste trabalho, na faixa de umidade estudada, não foi verificada
uma alteração no valor do coeficiente dinâmico de fricção com a umidade.
71
A não variação do coeficiente dinâmico de fricção na faixa de umidade estudada é
explicada pelas características do material. Com este percentual de umidade as propriedades
físicas do fertilizante na superfície de cada partícula não sofre mudanças significativas.
4.2.2 - Carga e comprimento de queda do fertilizante dos suspensores para
diferentes posições angulares destes.
A Tabela 4.5 mostra os resultados experimentais para o comprimento de queda das
partículas para diferentes posições angulares dos suspensores. Como definido anteriormente o
comprimento de queda é a distância percorrida pela partícula quando esta cai, em linha reta, a
partir da ponta do suspensor até o leito de partículas situado no fundo do secador rotatório.
Também na Tabela 4.5 encontram-se valores experimentais da carga dos suspensores para
diferentes posições angulares.
Tabela 4.5: Comprimento de queda e carregamento dos suspensores.
Posição angular
θ - [º]
Comprimento de queda
Y
q
– [m]
Posição angular
θ - [º]
Carga do suspensor
h* – [kg]
0
0,086
0
0,525
10
0,106
5
0,480
20
0,126
10
0,430
30
0,136
20
0,380
40
0,166
25
0,350
50
0,186
31
0,320
60
0,196
40
0,280
70
0,206
53
0,185
80
0,211
56
0,166
90
0,226
60
0,153
100
0,215
77
0,054
110
0,201
82
0,041
120
0,193
120
0,000
Há diferentes métodos para descrever a distribuição do cascateamento dos sólidos ao
longo do secador (BAKER, 1987). Uma maneira comum é mostrar a variação da fração de
material retida no suspensor, dada pela razão h*/h
0
*, em relação θ. Para o secador
convencional estudado neste trabalho a fração de material retida nos suspensores para
diferentes posições angulares deste é mostrada na Figura 4.5.
72
0 204060801001
θ,
º
20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
h*/ho*
Figura 4.5 : Fração de carga retida do suspensor em função de θ.
A fração de material em queda, para cada posição angular percorrida pela suspensor é
mostrada na Figura 4.6.
0 204060801001
θ,
º
20
0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
hd*/ho*
Figura 4.6: Fração de material em queda devido a variação em θ.
Os resultados da Figura 4.5 mostram que para o suspensor de dois segmentos em
estudo, com ângulo entre os dois segmentos igual a 126º, o cascateamento das partículas de
fertilizante superfosfato simples termina para θ aproximadamente igual a 100º. Ou seja, a
cortina de fertilizante em queda se encontra na faixa de θ = 0 a 100º. Na Figura 4.6 pode-se
observar que a quantidade de sólidos despejados (h*
q
) é praticamente constante para θ
73
variando de 30 a 70º. Para valores de θ superiores a 80º a quantidade de carga despejada
diminui rapidamente. Pode-se dizer então, que a maior parte do material, para o suspensor
estudado, cai em cascata para θ menor que 80º.
Para verificação de quão preciso foi o cálculo do coeficiente de fricção para o
fertilizante superfosfato simples realizado neste trabalho, foram elaborados gráficos onde se
comparou os valores experimentais da carga dos suspensores e do comprimento de queda das
partículas com valores obtidos através da metodologia de cálculo representada pelas Equações
3.1 a 3.21 do item 3.4.1 do capítulo de Materiais e Métodos e pela Equação 2.19 do item
2.3.2.2 apresentado no capítulo de Revisão Bibliográfica.
2
2
cos
o
q
YRX
Y
α
+−
=
o
(2.19)
Na Figura 4.7 é mostrada a comparação entre a carga medida experimentalmente para
cada posição angular e os resultados obtidos através dos cálculos de predição da carga dos
suspensores de dois seguimentos.
0 2550751001251
Posição angular da ponta do suspensor (
θ),
º
50
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
Carga de material no suspensor, kg
Experimental
Calculado
Figura 4.7: Variação da carga de sólidos nos suspensores com a posição angular deste.
Na Figura 4.8 é mostrada a comparação dos valores experimentais e calculados para o
comprimento de queda das partículas do suspensor.
74
0 20 40 60 80 100 120
P
o
siç
ã
o
a
n
g
ul
a
r
d
o
sus
p
e
n
s
o
r
(
θ),
º
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.22
Comprimento de queda (Yq), m.
Experimental
Calculado
Figura 4.8: Comprimento de queda das partículas dos suspensores para diferentes
posições angulares deste.
A comparação entre os valores experimentais e os valores calculados também teve
como objetivo avaliar o equacionamento proposto para predição da carga dos suspensores e
do comprimento de queda das partículas.
Os resultados das Figuras 4.7 e 4.8 mostram que o equacionamento para predição da
carga e comprimento de queda das partículas dos suspensores gerou estimativas bastante
precisas, os desvios foram de 0,75% para a carga de sólidos nos suspensores e 2,89% para o
comprimento de queda das particulas. Este fato confirma o seu potencial de uso para a
previsão do cascateamento dos sólidos no interior de secadores rotatórios convencional.
Com o coeficiente dinâmico de fricção (µ) é possível calcular o comprimento médio de
queda das partículas do suspensor utilizando-se da Equação 2.20. O valor encontrado foi igual
a
Y =0,158 m:
*(0)
0
sin *
*(0)
h
D
Y
h
θ
=
∫
dh
(2.20)
O valor aproximado da posição angular média de queda das partículas dos suspensores
pode ser dado por:
*(0)
0
*
*(0)
h
dh
h
θ
θ
=
∫
(2.22)
75
O valor encontrado para a posição angular média de queda das partículas foi igual a
θ
=51,3 º:
4.2.3 - Análise do tempo médio de residência para o secador convencional com 7
suspensores.
A Tabela 4.6 mostra os resultados experimentais para o tempo de residência médio e a
carga do secador para diferentes condições de operação sem fluxo de ar. Os experimentos
realizados sem fluxo de ar são importantes para obtenção do efeito do fluxo de gás sobre o
arraste de partículas. È comum encontrar em correlações para o tempo de residência,
utilizadas em projeto de secadores rotatórios, à presença de um termo na equação relacionado
à influência do fluxo de ar sobre o comportamento fluidodinâmico da partícula.
Tabela 4.6: Resultados experimentais para o tempo de residência para o secador convencional
operando sem fluxo de ar.
Vazão de
sólidos
[kg/min]
Rotação
[rpm]
Umidade
[kg de água/kg de
sólido seco]
T.M.R
[min]
Carga
[kg]
0,67 2,65 0,08
7,3 4,500
0,67 2,65 0,12
7,7 4,800
0,67 5,55 0,08
5,4 3,570
0,67 5,55 0,12
5,3 3,430
0,33 2,65 0,08
10,5 3,562
0,33 2,65 0,12
10,4 3,899
0,33 5,55 0,08
7,3 2,569
0,33 5,55 0,12
7,0 2,613
A Tabela 4.7 mostra resultados experimentais de tempo médio de residência e da carga
do secador para diferentes condições de fluxo de ar.
Tabela 4.7: Resultados experimentais para o tempo médio de residência do secador rotatório
convencional.
76
Experimento
Taxa de
sólidos
[kg/min]
Rotação
[rpm]
Vazão de ar
[m
3
/min]
Tempo médio
de residência
[min]
Carga do
secador
[Kg]
1 0,67 5,55 4,9
5,4 3,102
2 0,67 2,65 4,9
7,8 3,954
3 0,33 5,55 4,9
7,5 2,614
4 0,33 2,65 4,9
10,9 3,222
5 0,67 5,00 6,1
5,9 3,662
6 0,67 5,00 6,1
6,0 3,303
7 0,67 5,00 4,9
5,6 3,568
8 0,67 5,00 4,9
6,0 3,450
9 0,33 5,00 6,1
8,0 2,781
10 0,33 5,00 6,1
8,2 2,707
11 0,33 5,00 4,9
8,2 2,562
12 0,33 5,00 4,9
8,2 2,640
A partir dos resultados experimentais mostrados na Tabela 4.7 foram analisadas
diferentes equações para o cálculo do tempo médio de residência.
A Figura 4.9 mostra uma comparação entre os resultados experimentais e os calculados
pelas seguintes equações: relação da carga com a vazão de sólidos (Equação 2.29),
FRIEDMAN e MARSHALL (1949) (Equação 2.32) e PERRY e GREEN (1999) (Equação
2.56).
O parâmetro k da Equação de PERRY e GREEN (1999) foi ajustado a partir dos dados
experimentais de tempo de residência apresentados na Tabela 4.7.
Observa-se nos resultados apresentados na Figura 4.9, que os tempos de residência
calculados pela relação de carga (Eq. 2.29), pela Equação de FRIEDMAN e MARSHALL
(1949) e pela Equação PERRY e GREEN (1999) tiveram boa concordância com os dados
experimentais. A melhor adequação aos dados experimentais foi obtida pela Equação 2.35
(carga), entretanto, o uso desta equação para projeto é inviável pois a mesma não é
relacionada a apenas uma variável de processo. As Equações de PERRY e CHILTON (1999)
e FIEDMAN e MARSHALL (1949) apresentaram bons ajustes para os experimentos 1, 2, 5,
6, 7 8. Nestes experimentos o valor da vazão de sólidos foi de 0,67 kg/min. Quando foi
diminuída a vazão de sólidos (experimentos: 3, 4, 9-12), os valores preditos pelas Equações
PERRY e CHILTON (1999) e FIEDMAN e MARSHALL (1949) não representaram bem os
dados experimentais. Isto se explica pelo fato destas equações, apesar de relacionadas às
variáveis de projeto e operação, como por exemplo rotação e diâmetro, serem limitadas por
77
não levarem em conta o efeito da carga dos suspensores nem o arraste de partículas pelo fluxo
de ar.
12345678910111
Experimento, -
2
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
Tempo médio de residência, min
Experimental
Cálculo pela carga
Equação de Perry e Green
Equação de Friedman e Marshall
Figura 4.9: Comparação entre o tempo de residência experimental e o calculado pelas
equações de FRIEDMAN e MARSHALL e PERRY e CHILTON..
A Figura 4.10 mostra os resultados experimentais e os calculados pelas equações de
SAEMAN e MITCHELL (1954) (Equação. 2.33) e GLIKIN (1978) (Equação 2.44). A
equação 2.33, de SAEMAN e MITCHELL (1954), teve uma boa adequação aos dados
experimentais. Esta equação tem características interessantes para o projeto, performance e
scale up de secadores rotatórios, pois leva em conta a carga nos suspensores e o arraste de
partículas. A equação de GLIKIN (1978) (Equação 2.44) não teve uma boa concordância para
os experimentos 9 a 12. Neste experimentos a vazão de sólidos é a menor estudada (0,33 kg).
Esta vazão faz com que o movimento da fase densa seja bastante representativo, explicando a
não adequação aos dados da Equação de GLIKIN (1978), que apesar de levar em conta o
efeito do arraste das partículas, ignora o movimento da fase densa.
As Equações discutidas anteriormente foram escolhidas pelo fato de estarem entre as
mais usadas em metodologias encontradas na literatura para cálculo do tempo médio de
residência das partículas em secadores rotatórios. Muitos trabalhos publicados discutem qual
a melhor a ser usada, sendo que na maioria das comparações uma ou outra apresenta melhores
resultados, dependendo das condições sob as quais são utilizadas. Para a análise realizada
78
neste trabalho, a equação que melhor representou os dados experimentais foi a Equação de
SAEMAN e MITCHELL (1954), que considera tanto o movimento da fase densa quanta a
força de arraste exercida pelo gás de secagem sobre as partículas.
12345678910111
Experimento, -
2
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
Tempo médio de residência, min
Experimental
Saeman e Mitchell
Glikin
Figura 4.10: Comparação entre o tempo de residência experimental e o calculado pelas
equações de SAEMAN e MITCHELL (1954) e GLIKIN (1978).
Como a equação de SAEMAN e MITCHELL (1954) foi a que melhor se adequou aos
dados, serão realizados a seguir alguns comentários sobre o parâmetro m’, relacionado aos
efeitos de arraste das partículas.
(*) (tan ')
R
L
f
HDN mv
τ
α
=
±
(2.33)
O parâmetro f(H) da equação de SAEMAN e MITCHELL (1954) foi ajustado através
dos dados experimentais deste trabalho. O efeito do arraste, exercido pelo ar sobre as
partículas em queda, representado pelo parâmetro m’, pode ser desprezado nos experimentos
realizados neste trabalho, como mostrado na Figura 4.11. O efeito do arraste das partículas
pelo fluxo de ar foi avaliado através dos experimentos realizados em diferentes condições de
fluxo de ar e para experimentos realizados sem fluxo de ar.
79
0123456
Vazã
7
o
de a
r
,
(
m^3
/
mi
n
)
-0.00020
-0.00015
-0.00010
-0.00005
0.00000
m'
Figura 4.11: Variação do parâmetro m’ (SAEMAN e MITCHELL, 1954) em relação a
vazão de ar.
- Analise Global do Secador Rotatório Convencional
Em relação ao estudo feito para o secador rotatório convencional aqui apresentado,
pode-se dizer que este ganha em eficiência com um maior número de suspensores até um
máximo de 7 suspensores, considerando a faixa de carga ótima. Através dos experimentos
realizados obteve-se um coeficiente dinâmico de fricção médio para o fertilizante superfosfato
simples igual a 0,994. Com o cálculo deste coeficiente pode-se obter informações importantes
sobre as características do cascateamento do material no secador. Os cálculos realizados pela
equação de SAEMAN e MITCHELL (1954) apresentaram boa concordância com os
resultados experimentais de tempo de residência, podendo ser utilizada para estudos de
projeto, performance e scale-up de secadores rotatórios.
4.3 - Comparação entre o desempenho dos dois tipos de secadores: Secador Rotatório
Convencional e Secador Roto-fluidizado.
A Tabela 4.8 apresenta resultados experimentais de tempo médio de residência para os
secadores: rotatório convencional e o roto-fluidizado, nas condições apresentadas no item 3.5.
São comparados resultados com mesmas condições de operação em ambos os secadores.
80
Tabela 4.8: Resultados experimentais para o tempo médio de residência (T.M.R).
Condições experimentais.
Secador
Convencional
Roto-
fluidizado
Exp.
Vazão de ar
G
[m
3
/min]
Temperatura
do ar
[ºC]
Vazão de
sólidos
W
u
[kg/min]
T.M.R
[min]
T.M.R
[min]
Diferença
1 6,1 110 0,67
5,9 1,9 4,0
2 6,1 110 0,33
8,0 2,4 5,6
3 6,1 90 0,67
6,0 1,8 4,2
4 6,1 90 0,33
8,2 2,8 5,4
5 4,9 110 0,67
5,6 1,8 3,8
6 4,9 110 0,33
8,2 2,5 5,7
7 4,9 90 0,67
6,0 1,7 4,3
8 4,9 90 0,33
8,2 2,6 5,6
9 4,65 100 0,50
6,7 2,5 4,2
10 6,35 100 0,50
7,0 2,0 5,0
11 5,5 86 0,50
6,1 2,0 4,1
12 5,5 114 0,40
7,0 2,1 4,9
13 5,5 100 0,26
8,4 2,1 6,3
14 5,5 100 0,74
6,4 1,7 4,7
15 5,5 100 0,50
6,5 1,9 4,6
16 5,5 100 0,50
6,8 2,0 4,8
17 5,5 100 0,50
6,7 2,0 4,7
18 5,5 100 0,50
7,2 1,9 5,3
Média: 4,8
Pode-se verificar a partir dos resultados experimentais que o tempo médio de residência
para o secador rotatório convencional é em média4,8 minutos maior do que o tempo médio de
residência no secador roto-fluidizado. Uma das explicações para esta diferença é o fato que as
peças suspensoras fazem com que o material no interior do secador percorra um caminho
maior que o comprimento do secador, pois estas peças transportam o material pela periferia
do secador até que este caia em cascata. Estas peças suspensoras também atuam como
obstáculos à passagem do material. No secador roto-fluidizado, com a ausência de
suspensores, o material flui na região inferior do cilindro do secador, sofrendo apenas ação do
ar de secagem.
81
Observa-se também nos dados da Tabela 4.8 que as variáveis estudadas afetaram
diferentemente o comportamento dos sólidos no interior do leito em cada configuração de
secador. Foram obtidas correlações para a previsão do tempo médio de residência para o
secador convencional (Equação 4.1) e para o secador roto-fluidizado (Equação 4.2) em função
das varáveis significativas para o tempo de residência em cada secador. Nestas regressões,
93,0 e 91,0 % da variabilidade dos dados foram explicadas pelas Equações 4.1 e 4.2,
respectivamente (R
2
=0,93 e 0,91). Os resíduos dessas regressões apresentaram uma
distribuição aleatória e normal. Os parâmetros apresentados nestas equações foram aqueles
significantes em um teste de hipótese usando uma distribuição t de Student, com uma
probabilidade máxima de erro igual a 5%. Os demais parâmetros, relativos às interações entre
as variáveis não foram significativos.
Tempo médio de residência
conv
[min]= 6,82 - 0,22X
2
– 0,99X
3
+ 0,35X
3
2
(4.1)
Tempo médio de residência
roto
[min]
= 1,97 + 0,15X
1
2
- 0,30X
3
(4.2)
Os valores de X
1
, X
2
e X
3
das Equações 4.1 e 4.2 referem-se a adimensionalização das
variáveis, vazão de ar (G), temperatura do ar (T
G
) e vazão dos sólidos, respectivamente. De
acordo com as seguintes equações:
1
5,5
0,6
G
X
−
= (4.3)
2
100
10
G
T
X
−
= (4.4)
3
0,50
0,17
u
W
X
−
= (4.5)
Nas Figuras 4.12 e 4.13 são apresentadas as relações entre os valores de tempo médio
de residência preditos pelas Equações 4.1 e 4.2 e os valores observados nos experimentos. Em
ambas as figuras observa-se que os desvios são aleatórios e de pequena magnitude. A
superfície de resposta do tempo médio de residência em função da vazão de sólidos e da
temperatura do ar admensionalizadas ( X
3
e X
2
, respectivamente) pode ser vista na Figura
4.14 (Secador Convencional).
82
Valores observados
Valores preditos
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5
Figura 4.12: Relação entre os valores do tempo de residência preditos pela Equação 4.1
e os observados experimentalmente para o secador rotatório convencional.
Valores observados
Valores preditos
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Figura 4.13: Relação entre os valores do tempo de residência preditos pela Equação 4.2 e os
observados experimentalmente para o secador roto-fluidizado.
83
6,1
6,3
6,5
6,8
7,1
7,4
7,7
8
8,3
8,6
Figura 4.14: Superfície de resposta para o tempo médio de residência no secador
convencional em relação à vazão de sólidos e a temperatura do ar, admensionalizados.
Observa-se na Figura 4.14 o aumento do tempo médio de residência com a diminuição
da taxa de alimentação de sólidos (W). Observa-se também, como era esperado, que W
influencia a resposta de uma forma mais intensa do que a temperatura do ar. A variável vazão
do ar não influência significantemente o tempo de residência do secador convencional, pelo
fato do comprimento de queda ser relativamente pequeno, conforme discussão da Figura 4.11.
A Tabela 4.9 apresenta os resultados experimentais para a temperatura de saída do
sólido, nas duas configurações estudadas. Observa-se nos resultados apresentados nesta tabela
que, para uma mesma condição experimental, a temperatura de saída do sólido no secador
roto-fluidizado é sempre maior que a temperatura de saída do secador rotatório convencional.
A diferença média entre estas temperaturas foi de 22,6 °C.
Foram obtidas correlações para a previsão da temperatura de saída dos sólidos para o
secador convencional (Equação 4.8) e para o secador roto-fluidizado (Equação 4.9), em
função da vazão e da temperatura do ar, e da vazão de sólidos. Nestas regressões, 89,8% e
91,0% da variabilidade dos dados foram explicadas pelas Equações 4.5 e 4.6,
respectivamente, (R
2
=0,898 e 0,910).
Temperatura sólidos
conv
[ºC]= 43,3 + 1,22X
1
+ 2,46X
2
– 2,30X
3
(4.6)
Temperatura sólidos
roto
[ºC]
= 60,0 + 4,11X
1
+ 5,18X
2
+ 4,40X
2
2
(4.7)
84
Tabela 4.9 - Resultados experimentais para a temperatura de saída do sólido
Condições experimentais
Secador
Convencional
Secador Roto-
Fluidizado
Exp.
Vazão de
ar
G
[m
3
/min]
Temperatura
do ar
[ºC]
Vazão de
sólidos
W
u
[kg/min]
Temperatura de
saída dos sólidos
[ºC]
Temperatura de
saída dos sólidos
[ºC]
Diferença
[ºC]
1 6,1 110 0,67
42,0 74,2 32,2
2 6,1 110 0,33
46,9 75,0 28,1
3 6,1 90 0,67
38,3 68,5 30,2
4 6,1 90 0,33
41,3 72,3 31,0
5 4,9 110 0,67
39,2 69,9 30,7
6 4,9 110 0,33
41,9 76,6 34,7
7 4,9 90 0,67
34,9 65,3 30,4
8 4,9 90 0,33
39,3 61,0 21,7
9 4,65 100 0,50
46,1 63,9 17,8
10 6,35 100 0,50
47,1 66,0 18,9
11 5,5 8,6 0,50
42,9 53,0 10,1
12 5,5 114 0,40
52,3 78,0 25,7
13 5,5 100 0,26
49,7 60,1 10,4
14 5,5 100 0,74
40,8 59,7 18,9
15 5,5 100 0,50
43,5 59,7 16,2
16 5,5 100 0,50
44,2 60,4 16,2
17 5,5 100 0,50
42,6 59,1 16,5
18 5,5 100 0,50
43,9 60,9 17,0
Média: 22,6
As variáveis independentes foram adimensionalizadas de acordo com as Equações 4.3,
4.4 e 4.5, conforme mostrado anteriormente.
Nas Figuras 4.15 e 4.16 são apresentadas as relações entre os valores da temperatura dos
sólidos preditos pelas equações 4.6 e 4.7 e os valores observados nos experimentos.
85
Valores Observados
Valores preditos
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56
Figura 4.15: Relação entre os valores da temperatura dos sólidos preditos pela Equação
4.7 e os observados experimentalmente para o secador rotatório convencional.
Observados vs. Preditos
Valores Observados
Valores preditos pela equacao 4.9
50
55
60
65
70
75
80
85
50 55 60 65 70 75 80 85
Figura 4.16: Relação entre os valores da temperatura dos sólidos preditos pela Equação
4.8 e os observados experimentalmente para o secador roto-fluidizado.
86
Os resultados experimentais para a taxa de secagem são apresentados na Tabela 4.10,
para as duas configurações do secador rotatório. A taxa de secagem foi definida, como sendo
a relação entre a massa de água removida por massa de sólido seco e por unidade de tempo.
Os resultados apresentados na Tabela 4.10 mostram que, para as mesmas condições
operacionais, a taxa de secagem do secador roto-fluidizado foi em média3,6 vezes maior que
a do secador rotatório convencional. Este fato evidencia as maiores taxas de transferência de
calor e de massa para a secagem no secador roto-fluidizado. Como conseqüência, pode-se
inferir que este secador pode ter um consumo energético significativamente inferior ao da
configuração convencional, para a realização de um mesmo serviço. Uma outra consideração
que pode ser feita é a possibilidade de operação com uma vazão de ar menor no secador não
convencional, possibilitando a utilização deste equipamento para a secagem de partículas
mais finas, as quais poderiam ser arrastadas no equipamento convencional.
Os dados apresentados na Tabela 4.10 foram tratados segundo a técnica da superfície de
resposta (MYERS, 1976). Foram obtidas correlações para a previsão das taxas de secagem
para o secador convencional (Equação 4.8) e para o secador roto-fluidizado (Equação 4.9), em
função da vazão e da temperatura do ar, e da vazão de sólidos. Nestas regressões, 95,4% e
97,9% da variabilidade dos dados foram explicadas pelas Equações 4.8 e 4.9,
respectivamente, (R
2
=0,954 e 0,979). Os resíduos dessas regressões apresentaram uma
distribuição aleatória e normal. Os parâmetros apresentados nestas equações foram aqueles
significantes em um teste de hipótese usando uma t de Student, com uma probabilidade
máxima de erro igual a 5%. Os demais parâmetros, relativos às interações entre as variáveis
não foram significativos.
Taxa
conv
*10
3
= 3,40+0,38X
1
+0,47X
1
2
+0,33X
2
+0,56X22-0,33X
3
(4.8)
Taxa
roto
*10
3
= 14,35+1,20X
1
+2,21X
2
-0,92X
3
(4.9)
Ao analisar os parâmetros das Equações 4.8 e 4.9, observa-se que, ao passar do secador
convencional para o roto-fluidizado, houve um aumento nos valores dos parâmetros relativos
à temperatura e à vazão do ar, evidenciando a maior eficiência de transferência de calor e
massa no novo secador. Observa-se também um aumento no parâmetro relativo à vazão de
sólidos.
87
Tabela 4.10: Resultados experimentais para as taxas de secagem dos dois tipos de secadores.
Condições experimentais
Secador
Convencional
Secador
Roto-
Fluidizado
Exp.
Vazão de ar
G
[m
3
/min]
Temperatura
do ar
[ºC]
Vazão de
sólidos
W
u
[kg/min]
Taxa de secagem
x 10
3
[min
-1
]
Taxa de
secagem
x 10
3
[min
-1
]
Razão
[-]
1 6,1 110 0,66
4,92 14,59 3,0
2 6,1 110 0,33
5,06 18,39 3,6
3 6,1 90 0,66
4,48 10,60 2,4
4 6,1 90 0,33
4,64 15,18 3,3
5 4,9 110 0,66
4,06 11,88 2,9
6 4,9 110 0,33
4,37 16,98 3,9
7 4,9 90 0,66
3,26 9,51 2,9
8 4,9 90 0,33
3,83 13,49 3,5
9 4,65 100 0,50
4,21 12,70 3,0
10 6,35 100 0,50
4,88 17,87 3,7
11 5,5 8,6 0,50
4,09 12,55 3,1
12 5,5 114 0,40
5,36 21,94 4,1
13 5,5 100 0,26
4,18 12,88 3,1
14 5,5 100 0,74
2,21 15,73 7,1
15 5,5 100 0,50
3,55 14,80 4,2
16 5,5 100 0,50
3,38 13,39 4,0
17 5,5 100 0,50
3,39 13,68 4,0
18 5,5 100 0,50
3,68 14,62 4,0
Média: 3,6
Novamente aqui, as variáveis independentes foram adimensionalizadas de acordo com
as Equações 4.5, 4.6 e 4.7, conforme mostrado anteriormente.
Nas Figuras 4.17 e 4.18 são apresentadas as relações entre os valores da taxa de
secagem dos sólidos preditas pelas Equações 4.8 e 4.9 e os valores observados nos
experimentos.
A Figura 4.19 apresenta a superfície de resposta da taxa de secagem para o secador roto-
fluidizado em função da temperatura e vazão do ar admensionalizados. Observa-se nesta
figura, como era esperado, um aumento da resposta com a elevação das variáveis
independentes.
88
Valores Observados
Valores preditos
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Figura 4.17: Relação entre os valores da taxa de secagem dos sólidos preditos pela
Equação 4.9 e os observados experimentalmente para o secador rotatório convencional.
Valores Observados
Valores Preditos
8
10
12
14
16
18
20
22
24
8 1012141618202224
Figura 4.18: Relação entre os valores da taxa de secagem dos sólidos preditos pela
Equação 4.9 e os observados experimentalmente para o secador roto-fluidizado.
89
9,328
10,444
11,56
12,676
13,792
14,908
16,024
17,14
18,256
19,372
Figura 4.19: Superfície de resposta para a taxa de secagem de sólidos no secador roto-
fluidizado em relação à temperatura (X
2
) e vazão de ar (X1).
- Coeficiente Global de Transferência de Calor
Com as medidas de temperatura, e os demais dados do balanço de energia, foi calculado
o coeficiente volumétrico de transferência de calor (U
VA
) para cada experimento realizado nos
dois tipos de secadores estudados. O coeficiente global de transferência de calor obtido para o
secador roto-fluidizado foi em torno de 50% maior do que aquele relativo ao secador
convencional. A partir dos resultados experimentais de U
VA
correlações empíricas propostas
na literatura foram avaliadas.
As correlações de FRIEDMAN e MARSHALL (1949) e McCORMICK (1962) foram
escolhidas para a análise do coeficiente volumétrico de transferência de calor nos secadores
rotatório convencional e roto-fluidizado pelo fato de relacionar o coeficiente de troca térmica
a variáveis comuns aos dois tipos de secador. Outras equações para o coeficiente volumétrico
de calor relacionam este com o projeto e operação dos suspensores, peças inexistentes na
configuração roto-fluidizado.
A Tabela 4.11 apresenta os resultados da estimação dos parâmetros da Equação 2.67 de
FRIEDMAN e MARSHALL (1949) para as duas configurações de secadores estudados,
sendo U
VA
dado em kcal/ °C min m
3
, G e W em kg/min.
an
VA F
UKWG= (2.67)
90
Tabela 4.11. Parâmetros da Equação de FRIEDMAN e MARSHALL para cada tipo de
secador.
Parâmetros da Equação 2.67 Convencional – R
2
= 0,80 Roto-fluidizado – R
2
= 0,75
K
F
10,0 19,0
a 0,32 0,92
n 0,72 0,72
Nas regressões não lineares para estimação dos parâmetros da Equação de FRIEDMAN
e MARSHALL (1949) dois tipos de secadores, observou-se que em torno de 80%, para o
convencional, e 75%, para o roto-fluidizado, da variabilidade dos dados foi explicada pela
equação. Os resíduos foram aleatórios e normalmente distribuídos. Os gráficos dos valores
preditos pela Equação 2.67 em relação aos observados nos experimentos, em ambos os
secadores são apresentados na Figura.4.20 e 4.21.
Equacao de FRIEDMAN e MARSHAL (1949)
Valores observados
Valores preditos pela Equacao 2.67
10
14
18
22
26
30
34
38
10 14 18 22 26 30 34 38
Figura 4.20: Relação entre os valores do coeficiente volumétrico de transferência de
calor preditos pela Equação 2.67 e os observados experimentalmente para o secador
rotatório convencional.
91
Equacao de FRIEDMAN e MARSHAL (1949)
Valores observados
Valores preditos pela Equacao 2.67
10
14
18
22
26
30
34
38
10 14 18 22 26 30 34 38
Figura 4.21: Relação entre os valores do coeficiente volumétrico de transferência de
calor preditos pela Equação 2.67 e os observados experimentalmente para o secador
roto-fluidizado.
Na Tabela 4.12 se encontram os resultados da estimação dos parâmetros da Equação
2.71 de McCORMICK (1962) para os dois secadores estudados, sendo U
VA
dado em kJ/min
ºC m
3
, G em Kg/min e D em m.
Nm
m
VA
KG
U
D
= (2.71)
Tabela 4.12: Parâmetros da Equação de McCORMICK para cada tipo de secador.
Parâmetros da Equação 2.71 Convencional – R
2
= 0,60 Roto-fluidizado – R
2
= 0,40
K
m
1,72 2,16
N
m
0,8 1,11
Nas regressões não lineares para estimação dos parâmetros da Equação 2.71 de
McCORMICK (1962) para os dois tipos de secadores, foi observado que em torno de 60% e
40% da variabilidade dos dados experimentais para o secador convencional e roto-fluidizado,
respectivamente, foi explicada pela Equação 2.71, mostrando que o ajuste dos dados desta
equação não foram adequados. Os resíduos foram aleatórios e normalmente distribuídos,
entretanto estes resíduos foram maiores em módulo do que os da equação de FRIEDMAN e
MARSHALL (1949). Os gráficos dos valores preditos pela Equação McCORMICK (1962)
em função dos observados nos experimentos, em ambos os secadores ,são apresentados na
Figura.4.22 e 4.23.
92
Equacão de McCORMICK
Valores Preditos
Valores Observados
10
15
20
25
30
35
40
10 15 20 25 30 35 40
Figura 4.22: Relação entre os valores do coeficiente volumétrico de transferência de
calor preditos pela Equação 2.71 e os observados experimentalmente para o secador
convencional.
Equacao de McCORMICK
Valores preditos pela Equacao 2.83
Valores Observados
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Figura 4.23: Relação entre os valores do coeficiente volumétrico de transferência de
calor preditos pela Equação 2.71 e os observados experimentalmente para o secador
roto-fluidizado.
A equação que melhor se ajustou aos dados experimentais do coeficiente volumétrico de
transferência de calor foi a de FRIEDMAN e MARSHALL (1949), isto pode ser devido ao
fato de que a influência do fluxo de sólidos sobre o coeficiente volumétrico de transferência
de calor ser mais significativa do que a influência do diâmetro do secador.
93
Observa-se também que tanto para as Equações FRIEDMAN e MARSHALL (1949)
como para McCORMICK (1962), os parâmetros relacionados com o coeficiente volumétrico
de transferência de calor foram maiores para o secador roto-fluidizado do que para o secador
rotatório convencional, o que confirma uma maior transferência de calor na nova
configuração de secador rotatório proposta.
94
CAPITULO 5
CONCLUSÕES
O secador rotatório convencional em estudo ganha eficiência com o maior número de
suspensores até um valor limite, considerando a faixa de carga ótima. Para o secador
convencional utilizado, o número de 7 suspensores foi o que apresentou os melhores
resultados, com volume de sólidos processados representando 15,6% do volume de sólidos
totais.
Através dos experimentos realizados foi obtido um coeficiente de fricção para o
superfosfato simples igual a 0,994. Com o cálculo deste coeficiente pode-se obter
informações importantes sobre as características do cascateamento do material no secador,
como por exemplo altura de queda média e carregamento dos suspensores para cada posição
angular deste.
Os cálculos realizados pela equação de SAEMAN e MITCHELL (1954) apresentaram
boa concordância com os resultados experimentais de tempo de residência. Como esta
equação tem boa fundamentação teórica, pode ser utilizada para estudos de projeto,
performance e scale-up de secadores rotatórios.
Os resultados experimentais de tempo de residência para o secador rotatório
convencional foram em média 4,84 minutos maiores que do que o do secador roto-fluidizado.
Isto se deve ao fato de a nova configuração não possuir suspensores, que fazem com que o
material percorra um caminho maior dentro do secador, além de agir como obstáculos à
passagem do material.
Para as condições operacionais estudadas, a taxa de secagem foi mais de 3,6 vezes
maior no novo equipamento, e a temperatura final do sólido ficou em torno de 22,6°C acima
do valor obtido para o secador convencional. O coeficiente global de transferência de calor
obtido para o secador roto-fluidizado foi em torno de 50% maior do que aquele relativo ao
secador convencional.
Foram obtidas correlações para a previsão da taxa de secagem em função da vazão e da
temperatura do ar, e da vazão de sólidos, bem como para o coeficiente global de transferência
de calor em função das vazões de ar e de sólidos. Estas correlações foram ajustadas para o
secador roto-fluidizado e para o rotatório convencional.
Através dos resultados obtidos neste estudo, pôde-se concluir que o secador roto-
fluidizado pode ter um consumo energético significativamente inferior ao da configuração
convencional para realizar um mesmo serviço. O novo equipamento também permite a
95
operação com uma menor vazão de ar, possibilitando a sua aplicação na secagem de partículas
mais finas que as usualmente utilizadas, as quais poderiam ser arrastadas no secador rotatório
convencional.
Sugestões para Trabalhos Futuros.
Como trabalhos futuros sugere-se:
a) O aprofundamento do estudo do secador roto-fluidizado através da Modelagem e
Simulação do processo de secagem neste equipamento não convencional, utilizando
dados obtidos no trabalho atual.
b) Estudo da dinâmica do secador Roto-fluidizado.
c) Estudo da qualidade das partículas na saída do secador Roto-fluidizado e comparação
com o secador convencional.
d) Utilização destes Secadores para outros tipos de materiais.
e) Ensaio com partículas finas no secador Roto-fluidizado.
f) Estudo da geometria do sistema de distribuição de ar no secador Roto-fluidizado.
96
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