MANEJO TECNOLÓGICO E OPERACIONAL DE SECAGEM DE GRÃOS

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1 LACERDA CONSULTORIA LTDA MANEJO TECNOLÓGICO E OPERACIONAL DE SECAGEM DE GRÃOS ADILIO FLAUZINO DE LACERDA FILHO, DSc Consultor em pós-colheita de grãos secagem, aeração, esfriamento artificial de grãos e racionalização do uso de energia em operações unitárias de pós-colheita. Empresa: LACERDA CONSULTORIA LTDA adiliolacerda@gmail.com TELEFONE: 55 XX (31) Viçosa, MG - Brasil

2 CONCEITO DE SECAGEM DE GRÃOS o que é secagem? SECAGEM "É o método universal de condicionar os grãos pela remoção de água, em nível tal, que os mesmos se encontrem em equilíbrio com o ar ambiente, permitindo preservar sua aparência e qualidades nutritivas, como alimento humano e animal e, ainda, a sua viabilidade como semente" (Hoja, 1972).

3 CONCEITOS SECAGEM NATURAL É A OPERAÇÃO UNITÁRIA QUE ENVOLVE OS FENÔMENOS DE TRANFERÊNCIAS DE CALOR E MASSA, SEM QUE OCORRA A INTERFERÊNCIA DO HOMEM. PARA A MAIORIA DOS GRÃOS A SECAGEM NATURAL ACONTECE NA PRÓPRIA PLANTA, PELA AÇÃO DA ENERGIA IRRADIANTE DO SOL, PROPICIANDO A EVAPORAÇÃO E A MOVIMANTAÇÃO DA ÁGUA DOS GRÃOS PARA O AR ATMOSFÉRICO. SECAGEM ARTIFICIAL: É A OPERAÇÃO UNITÁRIA DE PRÉ-PROCESAMENTO QUE ENVOLVE OS FENÔMENOS DE TRANSFERÊNCIAS DE CALOR E MASSA, UTILIZANDO-SE DE ARTIFÍCIOS QUE PROPICIEM A ACELERAÇÃO DO PROCESSO, EVITANDO-SE DANOS AOS GRÃOS, DENTRO DE LIMITES ESPECÍFICOS, OS QUAIS PODEM SER CAUSADOS POR IMPACTO E, OU ESTRESSES TÉRMICOS. 3

4 O que é um sistema de secagem? É UM SISTEMA CARACTERIZADO, BASICAMENTE, POR RECURSOS TÉCNICOS QUE POSSIBILITEM REALIZAR AS OPERAÇÕES DE RECEPÇÃO, PRÉ-LIMPEZA, MOVIMENTAÇÃO, SECAGEM E LIMPEZA DOS GRÃOS. MOEGA DE RECEBIMENTO TRANSPORADOR MÁQUINA PARA PRÉ-LIMPEZA TRANPORTADOR SECADOR TRANPORTADOR MÁQUINA PARA LIMPEZA TRANSPORTADOR 4 ARMAZENAGEM

5 SISTEMAS DE SECAGEM FATORES IMPORTANTES A SEREM CONSIDERADOS PARA SE OBTER O BOM DESEMPENHO DE UM SISTEMA DE SECAGEM DE GRÃOS: PERMITIR OBTER A MÁXIMA PRESERVAÇÃO DAS QUALIDADES DOS GRÃOS, OBSERVADAS IMEDIATAMENTE DEPOIS DA COLHEITA SER ADEQUADAMENTE DIMENSIONADO PARA ATENDER A CAPACIDADE DE RECEBIMENTO DE PRODUTO ÚMIDO E SUJO TER BAIXA DEMANDA DE ENERGIA PARA AS OPERAÇÕES UNITÁRIAS TER BAIXO CUSTO OPERACIONAL DISPOR DE MÃO-DE-OBRA COMPETENTE PARA REALIZAR TODAS AS OPERAÇÕES 5

6 ALGUNS FATORES QUE PODEM INFLUENCIAR A CAPACIDADE EFETIVA DE SECAGEM DE UM SECADOR 1) CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS E BIOLÓGICA DOS GRÃOS 2) CAPACIDADE NOMINAL DO SISTEMA 3) TEOR INICIAL DE ÁGUA DOS GRÃOS 4) TEOR FINAL DE ÁGUA DOS GRÃOS 5) ÍNDICES DE DANOS E IMPUREZAS OBSERVADOS NOS GRÃOS DEVIDO ÀS OPERAÇÕES DE COLHEITA E PRÉ-LIMPEZA 6) COMPETÊNCIA TÉCNICA DO OPERADOR 6

7 MÉTODOS DE SECAGEM ARTIFICIAL DE GRÃOS 1) SECAGEM EM CAMADA ESTÁTICA. com ar à temperatura ambiente. com ar aquecido 2) SECAGEM COM MOVIMENTAÇÃO DE GRÃOS. com intermitência de calor. sem intermitência e calor 3) SECAGEM COMBINADA 4) SECA-AERAÇÃO (dryeration) 7

8 ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DE SECADORES 1) QUANTO AO FLUXO DE AR E DE GRÃOS: FLUXOS CRUZADOS FLUXOS CONCORRENTES FLUXOS CONTRACORRENTES FLUXOS MISTOS LEITO FLUIDIZADO 2) QUANTO À ESTRUTURA : SECADORES DE TORRE SECADORES DE CASCATAS SECADORES DE COLUNAS 8

9 Secagem em silos secadores camada estática Modelos Características SS1810 SS2410 SS3010 SS3610 Capacidade de secagem (t/h)* 2,0 4,6 7,5 9,2 Capacidade de armazenagem: Volume (m 3 ) Massa (t) Fonte: (*) referência para milho: 24 para 14% b.u. 9

10 Secador contínuo, de fluxos cruzados 10

11 Secador e lotes, intermitente, de fluxos concorrentes (Patente UFV) 11

12 Secador de fluxos contracorrentes 12

13 SECADOR DE TORRE, DE FLUXOS MISTOS 13

14 Secador de leito fluidizado 14

15 ANÁLISE ENERGÉTICA SIMPLIFICADA DOS SITEMAS DE SECAGEM 15

16 AVALIAÇAO DE SISTEMAS DE SECAGEM Características a serem observada pelo empresário para a aquisição de um secador: 1) características operacionais; 2) entalpia específica do processo de secagem; 3) capacidade dinâmica do sistema; 4) influência do processo sobre a qualidade do produto; e 5) outras características específicas relacionadas ao produto e ao projeto. Importâncias da avaliação: 1) durante a comercialização, são apresentas pelo fabricante, em sua maioria, apenas as informações técnicas sobre o desempenho dos secadores e a capacidade de secagem; 2) é necessário conhecer o consumo de energia, em função de seu alto custo; 3) é necessário conhecer a qualidade do produto, depois de secado; e 4) o custo inicial e a capacidade dinâmica não são suficientes para uma tomada de decisão sobre a capacidade do sistema. 16

17 ALGUMAS POSSIBILIDADES OPERACIONAIS: secagem contínua - seca e resfria secagem contínua - seca e descarrega o produto quente secagem contínua - seca parcial e descarrega o produto quente secagem em lotes, intermitente - seca e resfria secagem em lotes, intermitente - seca e descarrega quente secagem em lotes, intermitente - seca parcial e descarrega quente 17

18 Avaliação conforme Baker-Arkema, F. W.; Lerew, L. E.; Brook, R. C.; Brooker, D. B. Energy an capacity performance evaluation of grain dryers. St. Joseph: ASAE, 1978, 13p. (Paper nº ). A metodologia propõe a avaliação do sistema com número reduzido de testes, sob condições padronizadas e complementadas com testes de simulação do processo. São estabelecidos três testes para secadores em lotes e 24 horas de operação contínua para secadores contínuos. Atualmente os secadores devem ser avaliados considerando a poluição sonora e de emissão de partículas para o ambiente. Os modelos de Thompson et al. (1976) ou de Hukill (1954) podem ser utilizados para a simulação dos processos. 18

19 AVALIAÇÃO DE SISTEMAS DE SECAGEM Principais fatores que influenciam o desempenho dos secadores:. teor inicial e final de água dos grãos;. temperatura inicial e final dos grãos,. propriedades térmicas dos grãos;. resistência oferecida ao fluxo de ar;. temperatura e umidade relativa do ar ambiente;. características da fonte complementar de energia para o aquecimento do ar; 19

20 Especificações do sistema 1. Dos grãos: VARIÁVEIS DO PROCESSO UNIDADES Teores inicial e final de água % b. u. Temperaturas inicial e final ºC Massas específicas inicial e final kg m -3 Teores de impurezas inicial e final % Índices de qualidade conforme normas Massa inicial de produto úmido kg 20

21 Especificações do sistema 2. Do ar: VARIÁVEIS DO PROCESSO UNIDADES Temperatura do ambiente ºC Umidade relativa do ambiente % Densidade do fluxo de ar m 3 min -1 m -2 (ou m 3 grãos) Pressão estática Pa ( ou mm ca) Temperatura do ar de secagem ºC Temperatura de exaustão ºC 21

22 Especificações do sistema 3. Do sistema de secagem: VARIÁVEIS DO SISTEMA UNIDADES Volume total ou fluxo de grãos m 3 ou m 3 h -1 Tempo de secagem Tempo de esfriamento Tempo de carga e de descarga Tempo de secagem ou comprimento da coluna de secagem Tempo de esfriamento ou comprimento da coluna de resfriamento Espessura da coluna de secagem Potencia de ventiladores Potencia do sistema de movimentação de grãos Tipo da fonte complementar de energia Tipo de combustível h h h m m m kw kw detalhe detalhe 22

23 Especificações do sistema VARIÁVEIS DO SISTEMA UNIDADES 4. Características do processo: Tempos de carga e de descarga h Tempo de esfriamento h Consumo de combustível kg h -1 ou m 3 h -1 Duarção do teste h Variação do teor de água % b. u. Capacidade de secagem relativa aos grãos úmidos kg h -1 ou m 3 h -1 Capacidade de secagem relativa aos grãos secos kh h -1 m 3 h -1 Entalpìa específica de secagem com energia elétrica kj / kg Entalpia específica de secagem sem energia elétrica kj / kg 23

24 CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS DE SECAGEM MAIS UTILIZADO NA BRASIL MAIORIA são secadores de torre, de fluxos mistos, operando em sistemas de lotes ou contínuos, com aquecimento direto ou indireto do ar de secagem, utilizando combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos. 24

25 OS SECADORES SÃO PROJETADOS COM BASE EM ALGUMAS CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS OBSERVADAS EM UM PRODUTO, TAIS COMO: 1) Teores inicial e final de água; 2) Índices de impurezas; 3) Temperaturas inicial e final dos grãos; e 4) Algumas propriedades físicas tais como: condutividade térmica, entalpia de vaporização, difusão de água etc. 5) Parâmetros referenciais de ambiente e de pressão atmosférica COM BASE NESSAS CARACTERÍSTICAS HÁ A NECESSIDADE DE SEREM ESTABELECIDOS FATORES DE CORREÇÃO PARA A CAPACIDADE NOMINAL, CONSIDERANDO DIFERENTES PRODUTOS: 1) Soja e trigo: fator de correção = 1,00 2) Milho: fator de correção = 0,75 3) Arroz: fator = 0,35 25

26 SECAGEM CONTÍNUA - SECA E ESFRIA Fonte: Weber (2005) 26

27 Secagem contínua - com e sem reaproveitamento de ar Com reaproveitamento de ar Sem reaproveitamento de ar Fonte: Weber (2005) 27

28 Comparação entre os sistemas operacionais com e sem reaproveitamento do ar Capacidade Vazão Potência motores) Energia nominal de 40 t/h (m 3 /h) (cv) (kcal/h) Com reaproveitamento de calor Sem reaproveitamento de calor Economia (26%) 20 (40%) (8,6%) Fonte: Weber (2005). 28

29 Secador com capacidade 80 t/h (soja - 18 para 13% b.u.) Q = m 3 de ar/h e Potência = 90 cv (3x30 cv). Secagem contínua com esfriamento: Capac. = 80 t/h Q = m 3 /h P = 3 x 30 cv Fonte: Weber (2005) Secagem em coluna inteira sem esfriamento: Capac. = 104 t/h Q = m 3 /h P = 3x30 cv Secagem contínua com esfriamento e reaproveitamento de ar: Capac. = 80 t/h Q = m 3/ h P = 2x30 cv 29

30 APROVEITAMENTO PARCIAL DE AR QUENTE - SECADORES DE TORRE 30

31 secagem combinada contínua - seca parcial e descarrega o produto quente 31

32 SECAGEM COMBINADA: 1 - seca e descarrega o produto quente (Weber, 2005). utiliza toda a torre do secador como torre de secagem;. o produto seco e quente é esfriado em silo;. sugere-se um repouso de 4-6 h;. aumento da capacidade de secagem - 30% 32

33 SECAGEM COMBINADA 2 - seca e descarrega o produto quente e com umidade acima da indicada para a armazenagem (Weber, 2005). utiliza toda a torre do secador como torre de secagem;. o produto seco e quente é esfriado em silo;. sugere-se um repouso de 4-6 h;. aumento da capacidade de secagem - 30%;. ganhos devido a umidade 33

34 Seca-aeração 34 21/10/2015

35 SECA AERAÇÃO CONDIÇÕES OPERACIONAIS 1) permite aumentar em até 70 % a capacidade operacional, sendo: a) 30 a 50 % por transformar a câmara de esfriamento em câmara de secagem; b) 30 a 40 % por secar os grãos até a umidade entre 14 e 16 % b.u.; e c) 10 a 20 % por operar com ar à temperatura igual ou superior a 90 C. 21/10/

36 SECA AERAÇÃO MELHORIA SOBRE A QUALIDADE DO PRODUTO a) reduz em até 30 % o índice de trincas; b) reduz os danos causados por estresse de temperatura quando o produto tem baixo teor de água; c) os grãos são menos manuseados no secador; d) eficiência de esfriamento em grãos de milho: - temperatura de 53 C perde entre 1,5 e 1,9 % de umidade; - temperatura de 61 C perde entre 1,7 e 2,3 % de umidade; e - temperatura de 67 C perde entre 2,0 e 3,1 % de umidade. 21/10/

37 SECA AERAÇÃO ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA a) vazão específica de ar 0,4 a 1,0 m 3 de ar por min por m 3 de grãos; b) o silo deve ter o fundo totalmente perfurado; c) o sistema de ventilação é fixado na base do silo; d) a capacidade do silo de esfriamento não deve ultrapassar 300 t; e) a altura do silo não deve ser superior a 15 m; f) o teor de impureza não deve ser superior a 3 %; e g) o silo deve ser equipado com espalhador de grãos. 21/10/

38 CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES A secagem é um processo de conservação muito dispendioso. Estima-se que 60% do total de energia necessário ao processo de produção é utilizado para a secagem. Considera-se no processo de secagem a energia necessária para aquecer e esfriar os grãos, para aquecer e movimentar o ar e para movimentar os grãos. 38

39 Fatores que influenciam o consumo de combustível e de energia elétrica durante a secagem Características construtivas do secador Características operacionais do sistema Características do produto a ser secado Teores inicial e final de água dos grãos 39

40 Formas de expressar as relações de energia: 1) Pelo consumos específico de energia - kj ou kcal kg-1 de água evaporada. 2) Quantidade de energia por unidade de massa de produto seco kj ou Kcal/t. 3) Em cada situação deve-se expressar a energia incluindo e excluindo a energia elétrica, considerando que os secadores podem ter diferentes sistemas para a movimentação dos grãos. 40

41 NOVAS TECNOLOGIAS DE SECAGEM

42 Secagem em lotes, com intermitência, em secador de fluxos concorrentes e ar desidratado - café 42

43 SECAGEM EM LEITO FIXO EM CONDIÇÕES CONTROLADAS DO AR 43

44 AUTOMATIZAÇÃO DA CONDIÇÃO DE SECAGEM Características potenciais e objetivadas em um sistema controlado, de secagem: 1 Segurança: redução do perigo de fogo ou explosão e emissão de partículas; 2 Garantia da qualidade do produto: manutenção dos atributos desejados para a qualidade dos produtos e suas propriedades, como sabor, odor, sanidade, cor, vigor, germinação etc; 3 Maximização do rendimento; 4 Economia de energia: minimizar o custo e melhorar a eficiência; 5 Atenuação dos distúrbios: minimizar a influencia sobre a quantidade e qualidade do produto; 6 Estabilidade do processo de secagem: responder as oscilações decorrentes do processo de secagem do produto; e 7 Robustez: garantir a operação normal do sistema para uma ampla faixa de pontos de operação e distúrbios. 44

45 Metodologia Variáveis controladas e variáveis manipuladas: Variáveis controladas: Temperatura do ar de saída Umidade relativa do ar de saída Variáveis manipuladas: Velocidade do motor do ventilador Velocidade do motor do comprensor 45

46 Metodologia Curva típica da resposta em malha fechada com as constantes PID (proporcional integral derivativo) calculadas com as regras de Ziegler-Nichols 46

47 Metodologia Uniformização da umidade da massa de grãos: 47

48 Metodologia Sistema de controle para o secador com a UTA: circuito 48

49 Resultados Protótipo: 49

50 Resultados Sistema completo: 50

51 AJUSTE DA TEMPERATURA 51

52 AJUSTE DA UMIDADE 52

53 AJUSTES DE TEMPERATURA, UMIDADE RELATIVA E UMIDADE DE EQUILÍBRIO 53

54 Valores de umidade de equilíbrio para diferentes valores de temperatura e de umidade relativa milho, soja e arroz (Chung & Pfost, citado por Silva et al., 2000) Produtos Milho Soja Arroz T (ºC) Umidade de equilíbrio (% b.u.) ,08 7,91 9,34 10,64 11,94 13,31 14,88 16,83 19,79 27, ,54 7,38 8,83 10,15 11,46 12,85 14,43 16,4 19,39 27, ,03 6,90 8,36 9,69 11,02 12,24 14,01 16,01 19,02 27, ,57 6,46 7,93 9,27 10,61 12,03 13,63 15,65 18,68 26, ,14 6,04 7,53 8,89 10,23 11,66 13,28 15,31 18,37 26, ,50 3,94 5,83 7,53 9,22 10,99 12,99 15,47 19,15 28, ,21 3,66 5,55 7,21 8,96 10,75 12,76 15,25 18,95 28, ,92 3,38 5,29 7,02 8,72 10,51 12,53 15,04 18,76 28, ,64 3,12 5,04 6,78 8,49 10,29 12,32 14,83 18,57 28, ,38 2,87 4,79 6,54 8,26 10,07 12,11 14,64 18,39 28, ,97 8,37 9,48 10,50 11,52 12,60 13,85 15,42 17,82 24, ,59 8,01 9,13 10,15 11,18 12,27 13,52 15,11 17,53 24, ,25 7,67 8,80 9,83 10,86 11,97 13,23 14,82 17,26 24, ,93 7,36 8,49 9,53 10,57 11,68 12,95 14,56 17,01 23, ,63 7,07 8,21 9,26 10,30 11,42 12,70 14,31 16,77 23,64

55 Curvas de secagem com sistema automático de controle da UTA Teor de água (% b.u.) 05 cm 40 cm 80 cm 120 cm 160 cm 200 cm média 17,00 16,00 15,00 14,00 13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 02/08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/2010 Tempo (dias) 55

56 Literatura consultada BROOKER, D.B.; BAKKER-ARKEMA, F.W.; HALL, C.W. Drying and storage of grains and oilssed. New York: Na Avi Book. 450p., 1992; NAVARRO, S.; NOYES, R. (Ed). The mechanics and physics of modern grain aeration management. New York: CRC Press. 647p. 2002; SILVA, J. de S. e (Ed). Secagem e armazenagem de produtos agrícolas. Viçosa: Aprenda Fácil. 502p WEBER, E.A. Excelência em beneficiamento e armazenagem de grãos. Canoas: Editora Salles. 586p

57 MUITO OBRIGADO