ESTUDO DO TEMPO DE RESIDÊNCIA E CARGA TOTAL DO SECADOR ROTATÓRIO CONCORRENTE

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1 ESTUDO DO TEMPO DE RESIDÊNCIA E CARGA TOTAL DO SECADOR ROTATÓRIO CONCORRENTE 1 Juliana Maria da Fonseca Façanha, Isabele Cristina Bicalho, ³ Edu Barbosa Arruda, Marcos Antônio de Souza Barrozo 1 Bolsista de iniciação Científica Balcão/CNPq/UFU, discente do curso de Engenharia Química Bolsista de iniciação Científica Balcão/CNPq/UFU, discente do curso de Engenharia Química 3 Professor da Faculdade de Ciências Integradas do Pontal UFU/MG Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG 1, Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 11, Bloco 1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP masbarrozo@ufu.br RESUMO - O secador rotatório é comumente utilizado nas operações de secagem devido à sua versatilidade e elevada capacidade de processamento, que pode alcançar t/h de material. Ele constitui-se de um casco cilíndrico levemente inclinado em relação à horizontal, que gira em torno do seu eixo longitudinal e é equipado internamente com suspensores (flights). Estes promovem o cascateamento do material particulado contra uma corrente de gases quentes que a- travessa o interior do secador. A inclinação e a rotação são responsáveis pelo transporte dos sólidos ao longo do equipamento. O contato íntimo entre o fluido e o sólido é fundamental para que se obtenha um produto que atenda às especificações de umidade adotadas pelos órgãos reguladores, além de facilitar o transporte e o armazenamento. Nesse contexto, o estudo da fluidodinâmica do escoamento das partículas é importante, sendo o tempo de residência, carga de material no secador, número de suspensores, velocidade e temperatura do gás as variáveis que mais influenciam o desempenho do equipamento. De acordo com Baker(1983), para que o secador esteja operando na sua faixa ótima de carregamento, recomenda-se que o número de suspensores e as condições operacionais do mesmo sejam escolhidos de maneira que o volume de sólidos em relação ao volume total do tambor esteja na faixa de 1 a 15%, para não haver sobrecarga no secador, o que poderia implicar em redução do tempo de residência e consequentemente prejudicar a qualidade do produto final, ou para que o secador não opere abaixo da sua capacidade mínima, o que implica ineficiência energética do processo. Da mesma forma, o tempo de residência é de suma importância, já que o material deve atingir a umidade previamente estabelecida. Neste trabalho utilizou-se a configuração concorrente do secador rotatório com suspensores de três segmentos com as mesmas condições operacionais já analisadas na configuração contracorrente por Arruda (8). O objetivo do trabalho foi analisar a influência do número de suspensores, da inclinação e da rotação no carregamento do secador e a fração de sólidos que ocupa o mesmo. Ademais, comparar-se-ão o tempo de residência e a fração de sólidos obtidos nas configurações, concorrente e contracorrente (Arruda, 8) do secador rotatório. Palavras-Chave: secador rotatório, carregamento (hold-up), tempo de residência. VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 7 a 3 de julho de 9 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

2 INTRODUÇÃO A história da indústria de fertilizantes teve início com as primeiras plantações quando o homem começou a produzir seus alimentos. Logo os agricultores perceberam que a adição de matérias orgânicas ao solo aumentava a produção ou recuperava-a em solos que havia tido um decréscimo de produtividade. A indústria de fertilizantes moderna teve início com Justus Von Liebig (183-73) que ressaltou a importância dos minerais e, inicialmente, sugeriu que minerais tais como fosfato, cal, magnésio e potássio fossem adicionados ao fertilizante. Não sugeriu a adição de nitrogênio, pois acreditava que as plantas tinham capacidade de retirá-lo através de algum mecanismo do ar atmosférico. Sabe-se, atualmente, que os compostos C, H, O, N, P, K são macronutrientes, isto é, substâncias que a planta necessita em maior quantidade. Os fertilizantes utilizam esses compostos químicos em suas fórmulas em diferentes quantidades dependendo to tipo do solo. O crescimento do uso de fertilizantes foi primordial para o aumento da produção mundial de alimentos. No Brasil, a produção de fertilizantes iniciou-se em 195. Empresas como Ferticap, IAP e do complexo de fertilizantes da Ultrafértil surgiram na década de aumentando o parque industrial de produção de super-fosfato simples no Brasil. Em 7, o consumo nacional de fertilizantes foi de, milhões de toneladas, sendo que as culturas de soja, milho, cana-de-açúcar e café são as que mais utilizaram esse insumo que, como a maioria dos materiais industrializados, necessita ser submetido à operação unitária de secagem. A secagem é comumente descrita como um processo em que substâncias voláteis são removidas de um produto sólido por meios térmicos. Trata-se de uma das operações unitárias mais comuns, uma vez que, em raras exceções, a maioria dos produtos industriais deve ser submetida à secagem em algum estágio do processo (Mujumdar, 1995). Dessa maneira, o processo de secagem é de suma importância para a indústria, tanto em relação ao transporte e armazenagem do material quanto para atender às especificações de umidade das entidades reguladoras. Há uma gama de equipamentos que podem ser utilizados para realizar secagem de produtos. Em plantas industriais, utiliza-se com marcante frequência o secador rotatório de contato direto, devido à sua grande capacidade de processamento. É constituído de um casco cilíndrico levemente inclinado em relação à horizontal que gira em torno de seu eixo longitudinal, que pode ou não conter suspensores (flights), responsáveis por promover o cascateamento dos sólidos dentro do cilindro. A Figura 1 mostra o desenho esquemático de um suspensor e suas principais dimensões geométricas. Figura 1 Esquema de um suspensor e suas principais dimensões. Na literatura (Perry,1999) encontram-se as configurações mais indicadas para estes equipamentos. Neste estudo foi empregado um secador de contato de direto com fluxo concorrente entre o material e o ar de secagem. A Figura mostra uma fotografia do aparato experimental utilizado para a aquisição dos dados experimentais. Figura - Fotografia secador rotatório (Arruda, 8) Na secagem de fertilizantes variáveis como carregamento (hold-up) do secador e o tempo de residência do material no seu interior são importantes para se determinar a taxa com que a água é retirada do material. O estudo do hold-up é necessário, pois através dele pode-se determinar a fração volumétrica de sólidos no secador. Na literatura (Baker, 1988), recomenda-se que essa fração esteja na faixa de 1 a 15% do volume total do secador. Dessa forma, o estudo do número de suspensores, da rotação e da inclinação do tambor tem a finalidade de determinar as condições operacionais do secador que promovem um carregamento ótimo recomendado. Neste estudo, foi utilizado o fertilizante do tipo super-fosfato simples granulado (SSPG), cuja composição de P O 5 era de 1%, com 7 a 8% de ácidos livres, solúvel em água e presença de á-

3 gua e alguns inertes. A Tabela 1 apresenta dados sobre o material utilizado, fornecido por uma indústria da região. Tabela 1 - Propriedades do fertilizante SSPG ρ C p d Sauter (kg/m³) (kcal/kg C) (m) 11 1,,5.1-3 Diante do exposto, o objetivo desse trabalho foi analisar, para a configuração do secador com 1 suspensores e rotação de,5 rpm, o carregamento e o tempo de residência do secador. MATERIAIS E MÉTODOS Na realização deste trabalho foi usado um secador rotatório construído por ARRUDA (8), com dimensões de projeto recomendadas pela literatura (BAKER, 1988; PERRY e GREEN, 1999) e projetado para operar de forma contracorrente. Para este estudo, no entanto, uma modificação na forma de alimentação do ar foi realizada, sendo adotado um sentido de fluxo concorrente entre o ar e o material particulado, de acordo com a Figura 3. O aparato experimental era constituído por um soprador de 5 cv (1) acoplado a um duto de ar com m de diâmetro (). Entre o secador e esse duto existia um conjunto de resistências elétricas (3), reguladas por um variador de voltagem e responsáveis por promover o aquecimento do ar. A alimentação dos sólidos era feita por meio de uma correia transportadora (), cuja velocidade podia ser regulada por um motor elétrico acoplado a um inversor de frequência. A correia foi montada sob um reservatório (5), cuja função era armazenar o material particulado a ser utilizado. Aquecedor (3) Duto de ar () Soprador 5cv (1) Tabela - Dimensões do suspensor utilizado. Suspensor 3 segmentos L 1 (cm),7 L (cm),7 L 3 (cm), α A 135 α B 135 Profundidade D/8 Nomenclatura x,7x,7 cm Metodologia experimental para carregamento do secador Para o estudo do efeito da velocidade do ar da vazão de alimentação sobre o carregamento, um planejamento experimental foi elaborado de acordo com a Tabela 3. Tabela 3 Condições experimentais para testes de carregamento do secador. G SU v ar (kg/min) (m/s) 1 1,3 1, 1,3, 3,7 1,,7, Para medida do carregamento de sólidos, o giro do secador era interrompido repentinamente e toda a massa de partículas existentes no interior do secador era coletada e pesada em uma balança analítica de duas casas decimais. A velocidade do ar (v ar ) era ajustada com o auxílio de um anemômetro de fio quente e a vazão de sólidos por medidas gravimétricas. Metodologia experimental para tempo de residência Figura 3 - Esquema para unidade experimental. O secador rotatório () tinha 1,5 m de comprimento de,3 m de diâmetro, cuja construção permitia ajuste de inclinação e da rotação do tambor. Esta era feita através de um motor redutor. Dentro do secador foram montados doze (1) suspensores, cujas dimensões são apresentadas na Tabela. Os experimentos de tempo de residência foram realizados para o secador operando com suspensores, com rotação do tambor de 3, rpm e inclinação de 3 de forma a comparar os resultados experimentais com aqueles obtidos por ARRUDA (8). A Tabela mostra o planejamento experimental utilizado para os testes de tempo de residência. Este planejamento foi obtido pela metodologia de planejamento composto central de Box & Wilson (1978).

4 Tabela - Planejamento experimental para ensaios de tempo de residência e fração de sólidos. V ar G su (m/s (kg/min) ) 1 3,9 1,,5 1, 3 1,1 1,,5,717 5,5 1,83 3,5,8 7 3,5 1, 8 1,5,8 9 1,5 1, O tempo de residência foi medido experimentalmente por meio da técnica dos traçadores, os quais eram os grânulos do próprio fertilizante, pintados na cor vermelha, já que esta fazia com que a partícula colorida se destacasse das demais. Os traçadores eram introduzidos na forma de pulso e, imediatamente após adição dos mesmos, acionava-se um cronômetro digital. A cada 3 segundos, coletava-se todo material que deixava o secador e os traçadores contidos naquela amostra contados. Através desse procedimento, era possível realizar o cálculo da fração de traçadores para cada intervalo de tempo, que permitiu a montagem de uma curva da fração do material (E(t)) em função do tempo de residência médio das partículas de fertilizante. Utilizou-se a integração numérica pela regra dos trapézios para realizar este cálculo. RESULTADOS E DISCUSSÕES Avaliaram-se, primeiramente, a influência do número de suspensores, a inclinação do secador e a rotação do tambor no carregamento e, por conseguinte, a fração de sólidos que o ocupava, dada pela Equação. F st Vs = 1 () V A Figura mostra os resultados obtidos para o planejamento experimental apresentado na Tabela 3 para, 8, 1 e 1 suspensores. 1 1 suspensores Figura Influência do número de suspensores na fração de sólidos. Percebe-se que o número de suspensores é diretamente proporcional o aumento de fração de sólidos no tambor. Esperava-se tal comportamento, pois a adição de suspensores no secador faz com o que o mesmo seja capaz de reter uma quantidade maior de material. A Figura 5 expõe a influência da inclinação no carregamento do secador rotatório. Observase que a diminuição da inclinação provoca aumento no hold-up, e, por conseguinte, na fração de sólidos que ocupava o equipamento. Fst (%) Figura 5 Influência da inclinação no carregamento do equipamento. Na Figura pode-se observar a influência da rotação no carregamento do secador rotatório. Este estava equipado com 1 suspensores e a inclinação do equipamento era de. A partir da análise da Figura, percebe-se que a rotação do tambor é uma variável que apresenta bastante sensibilidade, pois a mudança da mesma promoveu uma acentuada mudança no carregamento de sólidos e, a partir dessa mudança, quase todos os experimentos estiveram dentro da faixa ótima de carregamento, 1-15% do volume total do secador (BAKER, 1988) Experiment o 3, rpm,5rpm suspensores Fst (%) suspensores 1 suspensores Figura 5 Influência da rotação do tambor no carregamento de sólidos. Posteriormente, utilizou-se o planejamento experimental mostrado na Tabela com a finalidade de comparar as configurações

5 concorrente e contracorrente, estudada por ARRUDA (8), em relação ao tempo de residência e à fração de sólidos. A Figura mostra os resultados obtidos para o carregamento do secador concorrente em comparação aos do contracorrente obtidos por ARRUDA (8), para o secador com suspensores, inclinação de 3 e rotação do tambor igual à 3, rpm. Observa-se que para a mesma configuração o carregamento do secador concorrente é menor que o do contracorrente, ademais, não se encontra dentro da faixa ótima de operação recomendada pela literatura (BAKER, 1988; PERRY, 1999) que é igual 1-15% do volume total do secador. Fst (%) contracorrente concorrente Figura Comparação entre dados de carregamento do secador nas configurações concorrente e contracorrente (ARRUDA, 8) Era esperado que o carregamento do secador concorrente fosse menor que a da configuração contracorrente, pois na primeira, o ar escoa no mesmo sentido do deslocamento das partículas, arrastando-as em direção à saída, o que diminui a retenção de material no tambor. A Figura 7 mostra a comparação entre os tempos de residência obtidos para as configurações concorrente e contracorrente. 7 Tempo de Residência (min) contracorr e concorren Figura 7 Comparação entre os tempos de residência obtidos na configuração contracorrente (ARRUDA,8) e concorrente. Como esperado, para a mesma configuração, o tempo de residência de cada experimento para a configuração concorrente foi menor que o da configuração contracorrente. Isso se deve analogamente ao carregamento do secador, ao fato de que o fluido auxilia o deslocamento da partícula e dessa forma, essa percorre o comprimento do secador em menor tempo, enquanto na configuração contracorrente o ar desloca-se no sentido contrário ao do material particulado o que resulta na retenção do mesmo por mais tempo no secador. CONCLUSÕES Com base nos resultados experimentais obtidos nesse estudo, pode-se concluir que: O aumento no número de suspensores acarreta um acréscimo da carga de material no secador, sendo que a inclinação é inversamente proporcional ao hold-up do equipamento, isto é, para a menor inclinação obtiveram-se as maiores frações de sólido. A rotação do tambor foi a variável que apresentou maior influencia nos resultados de fração de sólidos e tempo de residência. Comparando-se as configurações contracorrente, estudada por ARRUDA (8) e concorrente, foi possível observar que o tempo de residência e o carregamento do secador rotatório contracorrente são maiores que os do concorrente, haja vista que nesta configuração o fluido promove o arraste do material particulado, auxiliando o deslocamento do mesmo ao longo do secador até a saída, sendo que no secador contracorrente o ar promove maior retenção de material no interior do tambor. NOMENCLATURA α i Ângulo entre os seguimentos do suspensor, [ ] F st Fração de sólidos no secador, [%] G su Vazão mássica de sólidos da alimentação, [kg/min] H massa total de partículas no interior do secador, [kg]. L i comprimento do seguimento do suspensor, [cm²] V volume total do secador, [m³] V s volume de sólidos no secador, [m³] τ - tempo de residência médio das partículas, [min] REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGRO ANALYSIS 8 (Última revisão Março/8), Acessado em 1 de Julho de 9 na URL /index.php?area=conteudo&mat_id=1&fro m=mercadonegocios ARRUDA, E. B., 8. Comparação do desempenho do secador roto-fluidizado com o secador rotatório convencional: secagem

6 de fertilizantes, PPGEQ/Faculdade de Engenharia Química da UFU, Uberlândia- MG. (Tese de Doutorado ), 17 p. BAKER, C. G. J., Chapter 1: Cascading rotary dryers. Advances in Drying, Hemisphere, New York, Mujumdar A. S (ed)., v., p BAKER, C. G. J., The design of flights in cascading rotary dryers, Drying technology, v., p BOX, M. J., HUNTER, W. G. e HUNTER, J. S., Statistics for experimenters, an Introduction to Design, Data Analysis, and Model Building, John Wiley and Sons, New York. FRIEDMAN, S. J., MARSHAL, W. R., 199-a, Studies in rotary drying, Part. I: Holdup and Dusting. Chemical Engineering Progress, v.5, p PERRY, R. H., GREEN, D. W., 1999, Perry s Chemical Engineers Handbook. Mac Graw- Hill, 7 th Cd-ROM, Nova York, Estados Unidos. SAEMAN, W. C., MITCHELL, T. R. Jr., 195, Analysis of Rotary Dryer and Cooler performance, Chemical Engineering Progress, v. 5, p AGRADECIMENTOS A Deus e aos meus pais, por me darem a oportunidade de existir e por me guiarem com destreza. Ao meu tutor e amigo Edu Barbosa Arruda que tanto me ensinou, não somente sobre Engenharia Química, mas também sobre como vencer com os recursos que nos são dados. Ao querido professor e orientador Marcos Antônio de Souza Barrozo por acreditar no meu trabalho e apoiar-me durante esses anos. À minha nova tutora Beatriz Silvério, pela paciência e persistência nessa nova etapa de trabalho. Aos meus companheiros de iniciação científica, tantos durante esse período, mas que de alguma forma sempre contribuíram para o meu aprendizado. Ao CNPq pelo apoio financeiro durante o meu trabalho de iniciação científica.