A importância dos processos de evaporação e secagem para indústria
Por Carla Legner
Edição Nº 71 - Fevereiro/Março de 2023 - Ano 12
Para diversos produtos e sistemas, a retirada de água é um procedimento extremamente necessário, seja para redução do seu peso e volume, dos custos de transporte e armazenamento ou para preservação do mesmo
Para diversos produtos e sistemas, a retirada de água é um procedimento extremamente necessário, seja para redução do seu peso e volume, dos custos de transporte e armazenamento ou para preservação do mesmo. Esse processo pode ser realizado através de secagem ou evaporação.
Sua ação se dá mediante o emprego de calor sob condições controladas, ou seja, trata-se de um sistema definido pela passagem de um líquido presente em um sólido úmido (superfície e poros) para uma fase gasosa não saturada, cujo objetivo é a concentração de uma solução de soluto não volátil e um solvente volátil. Na maioria dos processos, o solvente é a própria água.
A diferença de pressão parcial de vapor de água entre o ambiente quente (ar quente) e a superfície do produto ocasionará um transporte de massa para o ar e, assim, o vapor será arrastado. É na superfície do material, pelos mecanismos de difusão líquida, difusão de vapor e fluxo de líquido e vapor que ocorre a evaporação.
Por causa do intenso gasto de energia, sendo este normalmente fornecido por uma alimentação de vapor de baixa pressão, esses equipamentos podem ser associados com um sistema múltiplo, afim de oferecer um processo com maior eficiência energética. Nesse caso, o vapor gerado é utilizado na alimentação de um segundo evaporador, seguindo essa sequência.
É importante enfatizar que, para melhor resultando, a função do ar atmosférico, sua velocidade de circulação, temperatura e teor de umidade devem sempre ser analisados. Em relação ao material, é fundamental checar sua forma, granulação, porosidade e umidade. Vale lembrar que a secagem remove a umidade do sólido até certo limite, variando conforme a umidade relativa do ar e o comportamento de cada item.
As operações mais frequentes dessas ferramentas são: dessalinização, concentração de suco de frutas, produção de açúcar, produção de café solúvel ou leite em pó, como também para a concentração do licor negro, proveniente da indústria de papel e celulose, e outros.
Quanto aos produtos que utilizam a secagem temos os biscoitos, cerveja, alimentos desidratados em pó, massa fresca tipo talharim, purê de batatas, sopas instantâneas, plásticos, resíduos (sólidos ou não), concreto refratário, papel, madeira, cerâmicas, etc.
Métodos e processos
Um evaporador, na sua forma básica, é constituído por um trocador de calor, capaz de levar a solução à fervura, e de um dispositivo para separar a fase vapor do líquido em ebulição. São divididos em duas grandes categorias: os de tubos longos verticais e os de tubos horizontais. O primeiro tem, em geral, de 3,6 a 6,1 m de comprimento e pode ser de filme ascendente, de filme descendente ou de circulação forçada.
Em seu funcionamento a mistura de líquido e vapor sai pelo topo dos tubos e é projetada contra uma chicana. A velocidade do licor evaporado é suficientemente elevada para que a mesma, com alto desempenho, atue para eliminar a espuma. Para esse tipo de equipamentos pode-se esperar coeficientes de troca térmica entre 1100 a 4500W/m2K.
Evaporadores de tubos verticais são bem utilizados na produção de óleo de soja. Seu uso é comum no aproveitamento de vapores saturados que saem de outro processo, o qual seu principal objetivo é concentrar a micela. Também pode ser empregado na indústria de obtenção de celulose para recuperação do licor negro. Em ambos os casos são instalados em série.
Já o evaporador de tubos horizontais tem uma construção do tipo clássica e durante muitos anos foi amplamente utilizado. No seu exterior, a solução a ser evaporada ferve e dentro dele, por sua vez, o vapor de água se condensa.
Os tubos horizontais interferem na circulação natural do líquido fervente e, assim, a sua agitação é minimizada. Por esse motivo o coeficiente de troca térmica é mais baixo do que nas outras formas de evaporadores, principalmente quando as soluções possuem alta viscosidade. Os coeficientes variam entre 1100 a 2300W/m2K.
Pensando no processo de secagem, seja por qualquer sistema, ele se baseia no aumento da temperatura do ar diminuindo a sua umidade e o tornando capaz de absorve-la em outros corpos. Desta forma, o teor de umidade do material acompanhará a diminuição de umidade do ar quando submetidos a uma corrente quente, alcançando o equilíbrio higroscópico.
A secagem pode ser feita de dois modos: natural e artificial. A secagem natural é aquela em que a diminuição do teor de umidade do produto é causada pela incidência da radiação solar. No Brasil, é bastante utilizada na secagem de milho, feijão, trigo, café e cacau. A grande desvantagem dessa modalidade está na dependência das condições climáticas.
A secagem artificial consiste no emprego de artifícios para aumentar a velocidade do processo, ou seja, utilizando equipamentos chamados de secadores. Comercialmente, os secadores podem ser encontrados sob diferentes configurações e acessórios, como sistemas de aquecimento do ar por fornalhas a gás ou a lenha, sistemas de movimentação do ar com ventiladores e sistemas de movimentação dos grãos por elevadores de caçambas, transportadores helicoidais, fitas transportadoras, etc.
Tipos de equipamentos
A aplicação dos princípios de secagem exige um estudo minucioso das diversas variáveis envolvidas no processo, entre elas a dificuldade de previsão da curva de velocidade de secagem; a variação das condições de secagem ao longo do secador; a diferença entre a área da transferência térmica e a área da transferência de massa; a configuração do escoamento do gás; o efeito das variáveis de operação e da escolha do equipamento relativamente às condições do produto seco.
Desta forma, um equipamento perfeitamente projetado é muitas vezes difícil de se atingir, pois muitos fenômenos físico-químicos podem ser complexos e imprevisíveis. Outro ponto que também deve ser validado é o fator econômico habitual dos custos de processamento no que diz respeito às condições desejadas do produto, visando o mercado consumidor. Por estas razões, a escolha do secador é usualmente baseada em ensaios preliminares, onde o material é seco em condições semelhantes a desejada.
Existem diversos métodos e equipamentos, que devem ser utilizados de acordo com o produto que será processado e com o resultado dessas avaliações. Dentre eles é possível destacar: secagem com ar quente, secagem por contato direto com uma superfície quente, secagem por radiação e liofilização. Para produtos líquidos ou pastosos, pode-se utilizar a secagem por spray, ou spray-drying.
Secadores de bandeja: Este é o modelo mais simples de secador, utilizado para operações descontínuas, de pequena escala, e secagem de substâncias granulares ou para peças separadas.
Secadores tipo túnel: Nesse caso há o deslocamento contínuo de sólidos úmidos através da câmara de secagem pela montagem das bandejas em vagonetes. A secagem ocorre numa corrente de ar quente, sendo o túnel não necessariamente aquecido. Este modelo é utilizado para secar, por exemplo, tabuleiros de cera de parafina, gelatina ou sabão e artigos de cerâmica.
Secadores transportadores: Se caracteriza pela alteração do regime de um secador de bandeja de descontínuo para contínuo. Isto é feito pelo transporte do material mediante uma esteira transportadora ou, no caso de material sob a forma de folha úmida, pela movimentação em roletes, através do secador. Nessa operação, as ventoinhas fazem com que o ar passe pelo aquecedor e em seguida pelo material úmido inserido nas correias, onde é transportado ao longo de todo equipamento e retorna pelo fundo.
Secadores para sólidos granulados: No caso dos materiais particulados, em que há dificuldade de retê-los numa tela metálica ou numa esteira transportadora com chapas perfuradas, a secagem pode ser realizada, fazendo o material cascatear através da corrente de gás.
Secadores rotatórios: No secador rotatório, os sólidos são derrubados numa corrente contínua, na região do eixo do tambor rotatório, enquanto o ar é injetado através da cascata de grãos. O sólido é elevado por peças suspensas internas por meio da corrente de ar.
Secadores à gravidade: Utilizado para secar sólidos particulados possui chapas aquecidas e é especialmente útil quando o empoeiramento é um problema ou quando se deseja dispor de regiões de temperatura variável. Cada tabuleiro apresenta uma camisa de aquecimento e o material pode ser aquecido ao passar por algumas chapas e arrefecido ao passar por outras.
Secadores instantâneos: Também chamados de secador flash, é caracterizado pela injeção dos sólidos particulados numa corrente móvel de gás quente. A uma certa distância, a jusante do ponto de carga, os sólidos são separados do gás, usualmente num ciclone coletor. Utiliza-se este mecanismo de secagem quando se deseja secar parcialmente em um tempo de contato muito curto.
Secadores pulverizadores: Uma maneira prática de evaporar água de uma solução ou de uma suspensão de partículas sólidas consiste em pulverizar a mistura para um recipiente, passando por uma corrente de gases quentes. Desta forma, temos uma grande área interfacial e, consequentemente, uma elevada velocidade de evaporação.
Secagem de lamas e pastas grossas: Para os processos deste tipo de material, por não apresentarem uma mobilidade livre, deve-se utilizar agitadores mecânicos que operam em batelada. Depois de certo tempo, o material se torna uma massa densa, até que se quebra formando torrões. Após se moverem pelo secador, aos poucos se transformam em um material granulado.
Secadores a parafusos geminados: A alimentação úmida é agitada pelas lâminas giratórias aquecidas, fazendo com que haja uma maior exposição das áreas às superfícies de aquecimento. Isto resulta na vaporização até chegar à umidade desejada. Estes equipamentos são aplicados na secagem de sólidos cristalinos, sólidos pastosos, lamas, lixo orgânico e alguns produtos inorgânicos.
Secadores de tambor: Realizam o processo de secagem de materiais pastosos continuamente. São compostos de cilindros horizontais giratórios aquecidos internamente por vapor d’água. Nesses processos, uma produção em grande escala somente pode ser obtida quando se tem uma camada de sólido secante espessa, densa e contínua.
Secadores infravermelhos: Considerando o grau de eficiência desses raios, o processo de secagem desses equipamentos torna-se consideravelmente econômico comparando-se com a secagem com ar quente. Seu funcionamento consiste em um tambor horizontal com uma hélice interna que transporta o material sob uma fonte de luz infravermelha.
Independentemente do tipo, estamos falando de uma ferramenta que, muitas vezes, é a última operação em um processo industrial e corresponde a uma etapa essencial, seja por reduzir o custo de transporte, conferir determinadas propriedades desejadas ao material ou torná-lo mais manejável, ou ainda, por evitar a presença de umidade que pode deteriorar o produto ou provocar corrosão nas instalações.