ANÁLISE DOS PARÂMETROS DE OPERAÇÃO DE UM LEITO DE JORRO PARA SECAGEM DE SUSPENSÕES.

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1 ANÁLISE DOS PARÂMETROS DE OPERAÇÃO DE UM LEITO DE JORRO PARA SECAGEM DE SUSPENSÕES. 1 José Andersands F. Chaves, 2 Elisa A. Urbano, 3 Uliana Karina L. de Medeiros, 4 Maria de Fátima D. de Medeiros 1, 2, Bolsista de iniciação Científica CNPq/FINEP-SEBRAE/UFRN, discente do curso de Engenharia Química. 3 Doutoranda pelo PPGEQ/UFRN 4 Professora do Curso de Engenharia Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. 1,2,3,4 Curso de Engenharia Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Av. Senador Salgado Filho, 3, Campus Universitário, CEP: , Natal RN Brasil mariadefatima@eq.ufrn.br RESUMO - A secagem de leite de cabra em leito de jorro tem sido pesquisada como alternativa de se produzir leite em pó de qualidade, mediante utilização de tecnologias simples e de baixo custo. A obtenção das curvas características e determinação da velocidade e queda de pressão de jorro mínimo com e sem adição do leite é importante para se analisar o efeito desta emulsão sobre o comportamento fluidodinâmico e estabilidade do leito de jorro. Foram obtidas as curvas características para diferentes cargas de inerte, sendo utilizadas partículas de polietileno de alta densidade e de polipropileno. Para se definir o tipo de material a ser empregado na secagem do leite de cabra foram analisados ainda os efeitos da temperatura e carga de inerte sobre os parâmetros fluidodinâmicos. Avaliou-se também o efeito da evolução da secagem com conseqüente evaporação da água e arraste do pó sobre o comportamento fluidodinâmico, mediante obtenção das curvas características imediatamente, 5 e 1 minutos após adição do leite. Para os dois materiais inertes estudados a velocidade de jorro mínimo diminui com o aumento da temperatura que não interfere na queda de pressão, mantendo a estabilidade do leito. A adição do leite facilita as condições fluidodinâmicas do leito de polipropileno, promovendo a diminuição da velocidade de jorro mínimo enquanto para o polietileno de alta densidade o efeito é inverso. O polipropileno é, portanto, mais indicado para ser empregado como inerte na secagem do leite de cabra em leito de jorro. Como os resultados obtidos indicaram o polipropileno como material inerte a ser empregado na secagem do leite, foi realizada uma série de ensaios de acordo com um planejamento fatorial 2 2 com repetições no ponto central e se obteve modelos empíricos para predição dos parâmetros fluidodinâmicos em função da carga de inerte e do volume de leite adicionado. A análise dos resultados fluidodinâmicos indica que o leito de jorro com partículas inertes de polipropileno é adequado para a secagem e obtenção do leite de cabra em pó. Palavras-Chave: Fluidodinâmica, Leito de Jorro, Leite de Cabra INTRODUÇÃO O Leito de Jorro com partículas inertes está sendo estudado como alternativa ao secador convencional (spray) na obtenção do leite de cabra em pó. O baixo custo do leito de jorro, cujo produto apresenta qualidade similar ao obtido no spray, motivou o desenvolvimento desta pesquisa e o interesse dos pequenos produtores de leite organizados em cooperativas do nordeste brasileiro. Os estudos fluidodinâmicos do leito de jorro com obtenção das curvas características são importantes para se determinar parâmetros operacionais tais como: vazão mínima de jorro, queda de pressão em jorro estável, queda de pressão máxima e altura máxima da fonte. Esses parâmetros são utilizados para definir a capacidade do soprador (vazão e potência), cargas de material processado e condições de estabilidade do leito. A obtenção das curvas características e determinação da velocidade e queda de pressão de jorro mínimo com e sem adição do leite é importante para se analisar o efeito desta emulsão sobre o comportamento fluidodinâmico e estabilidade do leito de jorro. Outros parâmetros, como a taxa de circulação de partículas, a velocidade do gás nas regiões anular e de jorro, o diâmetro do jorro e o perfil de porosidade no leito, são de difícil obtenção devido à interferência da suspensão nas técnicas de medição usualmente empregadas. De uma forma geral os pesquisadores (Patel et al. (1986), Schneider e Bridgwater (1993)) encontraram que a razão entre a queda de pressão em jorro estável com o glicerol e a queda de pressão em jorro estável do leito seco diminui com o aumento do volume de glicerol injetado no leito. Trabalhos que se seguiram, (Passos e Mu- VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 27 a 3 de julho de 29 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

2 jundar (2)) comprovaram tais resultados e, varrendo uma faixa maior de volume de glicerol injetado no leito de inertes verificaram a ocorrência de um ligeiro aumento nesta razão antes de seu decréscimo. Com relação à vazão de jorro mínimo Passos et al. (199) reportaram um aumento na razão entre a vazão de jorro mínimo com glicerol e a vazão de jorro mínimo do leito seco para um aumento de volume de glicerol injetado no leito. Dados complementares, obtidos por Schneider e Bridgwater (1993), Passos e Mujundar (2) comprovaram tais resultados. Spitzner Neto (21) estudou a secagem de pasta de ovo em leito de jorro cônico com alimentação contínua e verificou um aumento na vazão de mínimo jorro e uma queda na pressão de jorro estável com o aumento na taxa de alimentação da suspensão. Na secagem de polpa, Medeiros (21) estudou o efeito da composição da polpa de manga natural e de polpas sintéticas na secagem em batelada e obtiveram em geral comportamento similar ao de Spitzner Neto (21). Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos a partir dos estudos fluidodinâmicos realizados com diferentes cargas de material inerte, sendo utilizadas partículas de polietileno de alta densidade e de polipropileno. Foram analisados os efeitos da temperatura e carga de inerte sobre os parâmetros fluidodinâmicos. Avaliou-se também o efeito da evolução da secagem com conseqüente evaporação da água e arraste do pó sobre o comportamento fluidodinâmico, mediante obtenção das curvas características imediatamente, 5 e 1 minutos após adição do leite. Matéria Prima METODOLOGIA O leite de cabra, oriundo das raças canindé e moxotó, foram fornecidos por um mesmo produtor rural. Como materiais inertes foram utilizados leitos de partículas de polietileno de alta densidade (diâmetro da partícula = 3,6 mm; esfericidade =,76 e densidade = 85 kg/m 3 ) e de partículas de polipropileno (diâmetro da partícula = 4,2 mm; esfericidade =,92 e densidade = 867 kg/m 3 ). Equipamentos O secador de leito de jorro utilizado consiste de uma coluna cônico-cilíndrica, construída em aço inoxidável com visores em acrílico, cujo diagrama esquemático é mostrado na Figura 1. Figura 1: Secador de Leito de Jorro Esta coluna possui uma base cônica, com ângulo incluso de 6, altura de 13 cm e diâmetro de entrada de 3 cm. A parte cilíndrica tem 18 cm de diâmetro e altura de 72 cm. A emulsão de leite é injetada e pulverizada no topo da fonte dos inertes, utilizando-se uma bomba peristáltica conectada a um sistema de atomização (bico injetor de duplo fluido). Um ciclone Lapple promove a separação e recolhimento do pó. O gás utilizado na secagem é o ar, proveniente de um soprador e aquecido em um trocador de calor, contendo resistências elétricas, com 2 W de potência. O controle do aquecimento do ar é efetuado por um controlador digital. Para as medidas de temperatura, são utilizados termômetros digitais. As tomadas de pressão localizam-se na base da coluna e no topo do leito de partículas, tangenciando a fonte. Estas tomadas estão conectadas a um manômetro diferencial de tubo em U para a medição da queda de pressão no leito de partículas. Procedimento experimental Ensaios fluidodinâmicos: Os ensaios fluidodinâmicos foram divididos em três etapas: 1ª etapa: Curvas fluidodinâmicas preliminares para as partículas de polietileno e polipropileno sem a adição de emulsão (leite). A temperatura de operação do sistema nesses ensaios foi de 6ºC(sem acionamento do sistema de aquecimento) As curvas características dos leitos de partículas sem adição da emulsão foram obtidas pelo método convencional, acompanhando-se as medidas de queda de pressão no leito em função da velocidade do ar. As curvas eram obtidas no sentido da vazão crescente e decrescente, para o leito seco (constituído apenas do material inerte). Para ambos os materiais foi analisado o e- feito da temperatura sobre o comportamento flui-

3 dodinâmico do leito para uma carga de 2,5 kg, apenas no sentido da vazão decrescente, procedimento adotado para evitar o superaquecimento da resistência e comprometimento do sistema de aquecimento e controle do equipamento. 2ª etapa: Curvas fluidodinâmicas preliminares para as partículas de polietileno e polipropileno com a adição de emulsão (leite). A temperatura de operação do sistema nesses ensaios foi de 9ºC. O efeito da adição do leite foi avaliado a partir das curvas características com adição do leite, obtidas apenas no sentido da vazão decrescente. Estabilizava-se o sistema com a carga de inerte pré-fixada, com aquecimento do ar e numa vazão que promovesse para cada carga uma boa circulação de partículas e uma fonte estável. As alíquotas de leite eram alimentadas após estabilização do leito seco e imediatamente após a alimentação iniciava-se a diminuição gradativa da vazão, registrando-se o colapso do jorro e determinando-se a velocidade de mínimo jorro e queda de pressão de jorro estável. O acompanhamento da queda de pressão em função da velocidade do ar se dava até interrupção completa do fluxo de ar. Avaliou-se também o efeito da evolução da secagem com conseqüente evaporação da água e arraste do pó sobre o comportamento fluidodinâmico, mediante obtenção das curvas características imediatamente, 5 e 1 minutos após adição do leite. 3ª Etapa: Curvas fluidodinâmicas realizadas a partir de um planejamento fatorial para as partículas de polipropileno. Como os resultados obtidos indicaram o polipropileno como material inerte a ser empregado na secagem do leite, foi realizada uma série de ensaios de acordo com um planejamento fatorial 2 2 com repetições no ponto central, visando-se obter modelos empíricos para predição dos parâmetros fluidodinâmicos em função da carga de inerte e do volume de leite adicionado. Os níveis fixados para as variáveis independentes foram: carga de inerte 2kg (-1), 2,5 kg () e 3kg(+1) ; volume de leite adicionado ml (-1), 5ml () e 1ml (+1). Nestes ensaios também não foi acionado o sistema de aquecimento (temperatura média de 6 C do ar, medida na entrada do secador) e as curvas foram obtidas conforme a metodologia descrita anteriormente, imediatamente após a alimentação do leite. RESULTADOS leitos constituídos de partículas de polietileno e polipropileno sem aquecimento e sem adição do leite são apresentados nas Figuras 2, 3, 4 e 5. onde é a perda de carga em pascal e Vc (m/s) é a velocidade média na coluna do leito de jorro ,3,6,9 1,2 1,5 Vc crescente Vc decrescente Figura 2 - Curva característica do leite de partículas de polietileno de alta densidade (2,5Kg) ,,6 1,2 1,8 2,4 Vc crescente Vc decrescente Figura 3 Curva característica do leite de partículas de polipropileno (2, Kg). Vc crescente 4 Vc decrescente 3 2 1,,6 1,2 1,8 2,4 Figura 4 Curva característica do leite de partículas de polipropileno (2,5 Kg). As curvas características completas (sentido crescente e decrescente da vazão do ar) dos

4 P(Pa) ,,3,6,9 1,2 1,5 1,8 2,1 Vc crescente Vc decrescente Figura 5 Curva característica do leite de partículas de polipropileno (3, Kg). Apresenta-se na Tabela 1 um resumo dos resultados obtidos a partir das curvas características do polietileno e do polipropileno mostradas nas Figuras 2,3,4 e 5. Tabela 1 -Variáveis fluidodinâmicas dos leitos: Carga Carga Vjm Pmax Pjm Inerte (Kg) (Kg) (m/s) (Pa) (Pa) Polietileno 2,5 2,5 1, Polipropileno 2, 2, 1, Polipropileno 2,5 2,5 1,65 355, 456 Polipropileno 3, 3, 1, Os resultados relativos à fluidodinâmica e curvas características dos leitos de polietileno e polipropileno são compatíveis com a literatura. Para a mesma carga o leito de partículas mais densas de polipropileno apresentou maior dificuldade para jorrar, observando-se maiores quedas de pressão no afloramento do jorro e colapso do mesmo em velocidade mais elevada do que no leito de partículas de polietileno. O efeito da carga sobre os parâmetros fluidodinâmicos foram os mesmos reportados na literatura, maiores cargas promovem maiores quedas de pressão e velocidades de jorro mínimo. Com relação aos ensaios realizados com aquecimento do leito, a vazão de jorro mínimo e queda de pressão no jorro estável para uma carga de 2,5 kg foram respectivamente 1,47 m/s e 62 Pa para o polipropileno e,62 m/s e 687 Pa para o polietileno de alta densidade. Como se pode observar nas Figuras 6 e 7, para ambos os inertes o leito mais aquecido apresentou maiores quedas de pressão em condições de jorro estável e importante diminuição na velocidade de jorro mínimo. Este resultado também é compatível com o encontrado por outros autores e é importante para a avaliação do comportamento fluidodinâmico do leito com adição da emulsão de leite. P (Pa) ,2,4,6,8 1 1,2 1,4 Figura 6 - Efeito da temperatura nas curvas características do leito de jorro (polietileno - 2,5kg). 1, 8, 6, 4, 2,,,,4,8 1,2 1,6 2, Vc(m/s) 9ºC 55ºC Figura 7 - Efeito da temperatura nas curvas características do leito de jorro (polipropileno - 2,5 kg). Nas Figuras 8 e 9 apresenta-se o efeito do tempo de secagem sobre os parâmetros fluidodinâmicos do leito para uma carga fixa de 2,5 kg de inerte (polipropileno e polietileno de alta densidade), com adição de 1 ml do leite ,,5 1, 1,5 Vc(m/s) (min) (5min) (1min) sem leite Figura 8 - Efeito da adição do leite e do tempo de secagem nas curvas características do leito de jorro (polietileno 2,5kg). T= 9ºC T= 55ºC

5 ,,4,8 1,2 1,6 2, Vc(m/s) sem leite (min) (5min) (1min) Figura 9 - Efeito da adição do leite e do tempo de secagem nas curvas características do leito de jorro (polipropileno 2,5kg). Os resultados a partir das curvas características ilustradas nas Figuras 7 e 8 estão disponíveis na Tabela 2. Tabela 2 Variáveis fluidodinâmicas do leito: Efeito do tempo de secagem. Inerte Tempo Vjm (m/s) Pjm (Pa) Polietileno, 1,1 555 Polietileno 5, 1,1 583 Polietileno 1,, Polipropileno, 1,54 56 Polipropileno 5, 1, Polipropileno 1, 1,65 62 As curvas características obtidas imediatamente e após diferentes tempos de secagem do leite indicam comportamentos diferentes para os dois materiais estudados. O leito de polietileno molhado jorrou com maior dificuldade, apresentando maior vazão de jorro mínimo. Este efeito é minimizado ao longo da secagem e na curva obtida 1 minutos após a alimentação a velocidade de jorro mínimo se aproxima do valor obtido no leito seco (sem leite). Com o polipropileno a menor vazão de jorro mínimo foi verificada no leito molhado, imediatamente após a adição do leite. Conforme os resultados apresentados, a queda de pressão em jorro estável para os dois materiais inertes não sofreu modificações importantes com a secagem do leite. Resultados em paralelo relativos ao desempenho da secagem do leite de cabra no leito de jorro indicaram a utilização do polipropileno como inerte, devido ao material suportar temperaturas mais elevadas e adequadas ao processo (acima de 8 C). Com o polipropileno a eficiência de produção foi mais elevada. Considerando também os resultados fluidodinâmicos e a o fato do leito de polipropileno apresentar maior facilidade para se manter estável em níveis mais baixos de velocidade do ar em presença da emulsão de leite, conforme discussão anterior, o polipropileno foi escolhido como material inerte a ser utilizado na secagem do leite de cabra em leito de jorro. Na Tabela 3 encontram-se os resultados relativos as curvas características do leito de polipropileno, obtidas com base no planejamento experimental e realizados conforme a matriz experimental, incluindo-se as réplicas no ponto central. Uma análise preliminar destes resultados mostra os efeitos das condições do processo no comportamento fluidodinâmico do leito cuja velocidade de jorro mínimo variou de 1,37 m/s a 1,67m/s e a queda de pressão em jorro estável de 47 Pa a 78 Pa. Tabela 3-Matriz experimental e resultados Volume de Leite (ml) Carga de inerte (Kg) Vjm (m/s) Pjm (Pa) (-1) 2, (-1) 1, (+1) 2, (-1) 1, (-1) 3, (+1) 1, (+1) 3, (+1) 1, () 2,5 () 1, () 2,5 () 1, () 2,5 () 1, De acordo com a análise estatística dos resultados, realizada através do Programa Statistics 7., o volume de leite alimentado apresentou efeito significativo e negativo sobre a vazão de jorro mínimo, enquanto o efeito da carga de inerte sobre esta variável também foi significativo, porém positivo e menos importante, conforme mostra os diagramas de pareto (Figuras 11 e 12) Sobre a queda de pressão em jorro estável, para a faixa de condições em que foram conduzidos os ensaios, apenas a carga de inerte exerceu efeito significativo e positivo sobre esta variável. Para as variáveis respostas analisadas, são apresentados os modelos estatísticos ajustados aos dados experimentais, equações 1 e 2. Figura 11. Diagrama de pareto- velocidade de jorro mínimo.

6 Tabela 5 - Análise de regressão dos modelos - Teste F (Regressão) Variável Fcalc resposta (MQR/MQr) Ftab (95%) Fc/Ftab Vjm (m/s) 47,88 9,28 5,2 Pjm 12,6 9,28 1,3 Figura 12. Diagrama de pareto queda de pressão de jorro mínimo. Modelos empíricos Pjm = 541,6 + 28,46v* + 121,9M* + 3,45v*M* (1) Vjm = 1,516,95v* +,56M*,6v*M* (2) Variáveis codificadas V* = (v 5)/5 M*= (M 2,5)/.5 Determinou-se a significância estatística dos modelos ajustados pela análise de variância, cujos resultados são apresentados nas Tabelas 4,5 e 6. De acordo com os dados apresentados na tabela 4, os modelos ajustados apresentam, principalmente para a velocidade de jorro mínimo, uma boa qualidade de ajuste, com coeficientes de correlação de,979 e 92,3% da variação em torno das médias explicada pela regressão. Para a queda de pressão em jorro estável, o modelo estatístico apresenta uma percentagem de variação explicada pela regressão de 84,7% e um coeficiente de correlação de,959, o que sugere um ajuste menos satisfatório entre as respostas observadas e os valores preditos pelos modelos estatísticos. Tabela 4 - Qualidade dos modelos Qualidade do ajuste (%) Variável resposta Coeficiente de correlação Vjm (m/s) 92,3,979 Pjm 84,7,959 Para a queda de pressão os resultados da análise estatística indicam que o modelo é significativo e não preditivo. Na tabela 6 os valores de F tabelados com relação aos obtidos pelos modelos apresentam quantidade de variação devido ao modelo ajustado bem superior a variação não explicada (Fcalc/Ftab <1), mostrando que os valores experimentais são bem representados pelos modelos ajustados. Este resultado sugere importante interferência do erro aleatório nos resultados da análise de variância do modelo ajustado às observações experimentais da queda de pressão em jorro estável. Todavia, ratifica que o mesmo pode ser empregado para fins preditivos. Tabela 6 - Análise de regressão dos modelos- Teste F (Falta de Ajuste) Variável Fcalc Ftab resposta (MQFA/MQEP) (95%) F/Ftab Vjm (m/s),68 18,5,37 Pjm,75 18,5,41 As superfícies de respostas geradas a partir dos modelos empíricos ajustados aos dados experimentais são ilustradas nas Figuras 13 e 14. Conforme se observa, para a faixa de condições operacionais empregadas, a adição do leite promoveu a diminuição na vazão de jorro mínimo e não interferiu na queda de pressão em jorro estável, enquanto a carga de inerte influenciou ambas as variáveis, promovendo tanto o aumento na vazão de jorro mínimo como na queda de pressão em jorro estável. Com relação ao teste F, que verifica se o modelo explica uma quantidade significativa da variação nos dados obtidos pela simulação, observam-se que os modelos ajustados aos dados experimentais são estatisticamente significativos para ambas as variáveis estudadas. Na Tabela 5, os valores de F para análise da regressão apresentam valores 5,2 e 1,3 vezes superiores aos valores tabelados para a vazão de jorro mínimo e queda de pressão de jorro estável, respectivamente, a um nível de confiança de 95%.

7 que pela análise de variância se mostraram estatisticamente significativos para as variáveis de velocidade de jorro mínimo e queda de pressão em jorro estável. A análise de variância confirma que para a região estudada os modelos ajustados apresentam boa qualidade de ajuste podendo ser empregado para fins preditivos. Os resultados fluidodinâmicos indicam que o leito de jorro com partículas inertes de polipropileno se adequou de forma promissora à secagem e obtenção do leite de cabra em pó. NOMENCLATURA Figura 13. Superfície de resposta da velocidade de jorro mínimo em função do volume de leite adicionado e da carga de inerte (polipropileno). M* - variável codificada; - Perda de carga em pascal; Pjm (Pa) Perda de carga de jorro mínimo; Pmax (Pa) Perda de carga máxima em pascal; V* - variável codificada; - é a velocidade média na coluna do leito de jorro em metros por segundo; Vjm (m/s) Velocidade de Jorro mínimo em metros por segundo; REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Figura 14. Superfície de resposta da queda de pressão de jorro mínimo em função do volume de leite adicionado e da carga de inerte (polipropileno). CONCLUSÕES Para os dois materiais inertes estudados a velocidade de jorro mínimo diminui com o aumento da temperatura e não interfere na queda de pressão, mantendo a estabilidade do leito. A adição do leite facilita as condições fluidodinâmicas do leito de polipropileno, promovendo a diminuição da velocidade de jorro mínimo enquanto para o polietileno de alta densidade o efeito é inverso. O polipropileno é, portanto, mais indicado para ser empregado como inerte na secagem do leite de cabra em leito de jorro. Com base nos resultados do planejamento experimental foram gerados modelos empíricos MEDEIROS, U. K. L., MARCIANO, L. A., NASCIMENTO, R. J. A., PASSOS, M. L. A., MEDEIROS, M. F. D., Efeito das condiçôes de processo no desempenho da secagem de leite de cabra em secador de leito de jorro com partìculas inertes. XXXIII Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados ENEMP, 27, Aracaju Sergipe. MEDEIROS, M. F. D., Influência da composição química dos materiais no desempenho do processo de secagem de polpas de frutas em leito de jorro f. Tese (Doutorado) Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Química, Programa de Pós graduação em Engenharia Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal. PASSOS, M.L. e MUJUNDAR, A.S. (2) Effects of cohesive forces on fluidized and spouted beds of particles. Powder Technology, v. 11, p PATEL, K. BRIDGWATER, J., BAKER, C. G. J., SCHNEIDER, T. Spouting behaviour of wet solids. Drying 86, Ed. A. S. Mujundar, Hemisphere Publishing Corp., New York, p , SCHNEIDER, T., BRIDGWATER, J. (1993) The stability of wet spouted beds. Drying Technology, v. 11, n. 2, p SPITZNER NETO, P. I., FREIRE, J. T. Medida do grau de saturação de pasta em leito de jorro. Anais do XXVIII Congresso brasileiro de Sistemas Particulados ENEMP, Teresópolis, p , 21.