1
1 Introdução
A secagem é uma das operações unitárias mais utilizadas na indústria nos mais variados processos. É uma operação complexa e de difícil entendimento justamente pela descrição matemática do processo de transferência de calor e massa e da quantidade de movimento do sólido, observado experimentalmente e operacionalmente (MENON; MUJUMDAR, 1987). São exemplos de indústrias que mais utilizam a secagem: químicas, mineral, farmacêuticas, agrícolas, papel e celulose, alimentícias e de polímeros. Utiliza-se a secagem com o objetivo de facilitar o processo de carga e descarga e transporte pneumático. Além disso, a proposta seria reduzir os custos de transporte de matérias primas, valorizar uma commodity , prolongar a vida de prateleira do produto e cumprir especificações pensando-se numa matéria-prima ou num produto (LINDEMANN; SCHMIDT, 2010). Os principais parâmetros da secagem são: quantidade de energia empregada, a qualidade do produto seco e o tempo investido. Tais f atores são essenciais para se avaliar a r entabilidade do bem submetido à operação. Também o tipo do secador é um fator a se considerar (PACHECO, 2010). A secagem consiste em remover a fração volátil de um produto, geralmente água, de um sólido. Essa presença de água denomina-se umidade. Tal definição exclui a concentração da solução e utilização de filtragem, centrifugação e destilação. Quando um sólido úmido é submetido à secagem, dois fenômenos acontecem e podem ser vistos na Figura 1 (PARK, et. al , 2007):
1. Transferência de energia (calor) do ambiente para evaporar a umidade superficial. Esta transferência depende de condições externas de temperatura, umidade do ar, fluxo e direção de ar, área de exposição do sólido (forma física) e pressão. 2. Transferência de massa (umidade) do interior para a superfície do material e sua subsequente evaporação devido ao primeiro processo. O movimento interno da umidade no material sólido é função da natureza física do sólido, sua temperatura e conteúdo de umidade.
2
Figura 1 – Curva típica de secagem. Fonte: PARK, et. al ,
(2007).
O espaço 0 da Figura 1 demonstra o início da secagem. Gradualmente aumenta-se a temperatura do produto e a pressão de vapor de água. Esse aumento acontece até o ponto em que a transferência de calor seja equivalente à transferência de massa (água). O espaço 1 explicita a taxa constante de secagem. A água evaporada é a água livre. A transferência de massa e de calor é equivalente e, portanto, a velocidade de secagem é constante. Enquanto houver quantidade de água na superfície do produto suficiente para acompanhar a evaporação, a taxa de secagem será constante. No espaço 2, a taxa de secagem é decrescente. A quantidade de água presente na superfície do produto é menor, reduzindo-se, portanto, a transferência de massa. A transferência de calor não é compensada pela transferência de massa; o fator limitante nessa fase é a redução da migração de umidade do interior para a superfície do produto. A temperatura do produto aumenta, atingindo a temperatura do ar de secagem. Quando o produto atinge o ponto de umidade de equilíbrio em relação ao ar de secagem, o processo é encerrado (PARK, et. al , 2007). O quociente entre a massa de umidade (M ) e a massa do sólido isenta desta umidade (M ) a
d
representa a umidade de um sólido na base seca (W ), como representado na Equação 1. O d
quociente entre a massa de umidade (M ) e a massa do sólido úmido (M +M ) define a a
d
a
3
umidade de um sólido na base úmida (W ), como representado na Equação 2. As Equações 3 w
e 4 transformam a umidade de uma base para outra.
Wd=Ma / Md
(1)
Ww=Ma / (Md+Ma)
(2)
Ww = Wd / (1+Wd)
(3)
Wd = Ww / (1 – Ww)
(4)
Em que: W = kg de água/kg de sólido seco; d
Ww = kg de água/kg de sólido úmido.
Para ocorrer a secagem é necessário um gradiente de temperatura, sendo que o meio úmido precisa estar a uma temperatura inferior à do meio seco. Isso proporcionará o fluxo de calor. Por ser um dos maiores produtores e exportadores de frutas no mundo, o Brasil tem como exigência gerar produtos frescos e saudáveis. Longas distâncias de exportação requerem tempo e o prazo de conservação das frutas é limitado, o que exige tecnologias mais aguçadas. Propôs-se então que as frutas sejam desidratadas a fim de prolongar sua durabilidade e diminuir as perdas pós-colheita do valor nutricional (Portal do Agronegócio, 2013). Este experimento visa construir curvas de velocidade de secagem para a maçã, usando-se uma estufa para secagem com circulação e renovação de ar. Também construir curvas de velocidade de secagem para a maçã, usando-se um micro-ondas com potência definida.
2 Procedimento Experimental
2.1 Materiais Anemômetro digital; balança digital com precisão de 0,1 g; bandejas; estufa para secagem; facas; psicrômetro digital; tábuas para cortar; termômetro de bulbo úmido e de bulbo seco; maçã; micro-ondas e vidro de relógio. 2.2 Metodologia Experimental 2.2.1 Secagem em Estufa Cortou-se as maçãs no meio para retirar sementes e cabos. Fatiou-as bem finas e uniformes com espessuras de 10 a 15 mm. Pesou-se a peneira vazia (90,05g) e anotou-se a massa.
4
Distribuiu-se as maçãs na peneira de maneira uniforme. Posteriormente, tarou-se a balança e pesou-se a peneira com os pedaços da fruta, anotando a massa. Colocou-se as peneiras na estufa a 75°C e deixou-as secar por aproximadamente 1h e 20 minutos. minutos. Mediu-se a temperatura dentro da estufa, bem como as temperaturas do bulbo seco, úmido, umidade relativa e velocidade do ar na entrada e na saída da estufa com o anemômetro digital. De 15 em 15 minutos, pesou-se a bandeja até o tempo de 80 minutos. minutos. Verificou-se a umidade final da fruta. A umidade inicial considerada da maçã foi de 87%. 2.2.2 Secagem em micro-ondas Cortou-se as maçãs no meio para retirar sementes e cabos. Fatiou-as bem finas e uniformes com espessuras de 10 a 15 mm. Pesou-se o vidro de relógio vazio (96,63g) e anotou-se a massa. Distribuiu-se as maçãs no vidro de relógio de maneira uniforme. Posteriormente, tarouse a balança e pesou-se o vidro de relógio com os pedaços da fruta, anotando a massa. Colocou-se o vidro de relógio no micro-ondas 1 com potência de 1620W e deixou a fruta secar por 1 minuto (Figura 1), repetiu-se o processo de 1 em 1 minuto até que a fruta secasse totalmente, o que ocorreu após o terceiro minuto (Figuras 2 e 3). Repetiu-se todo o processo utilizando o micro-ondas 2 com potência 1300W. A fruta (Figura 4) foi levada ao a o micro-ondas m icro-ondas apenas 2 vezes, pois já na segunda vez a maçã pegou fogo e teve que ser retirada com apenas 12 segundos. Mediu-se a temperatura do bulbo seco (23 ) e do bulbo úmido (19) (Figura 5) umidade relativa e velocidade do ar na entrada e na saída da estufa com o anemômetro digital. A operação foi repetida até que a fruta secasse totalmente. Verificou-se a umidade final da fruta. A umidade inicial considerada da maçã foi de 87%.
Figura1- Maçã seca em micro-ondas (1620W) no primeiro minuto
5
Figura 2 –Maçã seca em micro-ondas (1620W) no segundo minuto
Figura 3 - Maçã seca em micro-ondas (1620W) no terceiro minuto
Figura 4 - Maçã seca em micro-ondas (1300W) no segundo minuto
6
Figura 5 – Termômetros de bulbo seco e úmido, respectivamente.
3 Resultados e Discussões
Foram elaboradas as Tabelas 1, 2 e 3 para, respectivamente, representar os dados da secagem em estufa, no forno micro-ondas 1 (1620 KW) e micro-ondas 2 (1300KW).
Tabela 1 – Dados da secagem em estufa
Tempo (min)
peneira+maçã (g)
Maçã
Massa
Massa
Velocidade
(g)
seca
água (g)
de
Xbs
Xbu
secagem
(g) 0
163,34
73,29
9,53
63,76
-
6,69
87%
15
152,13
62,08
9,53
52,55
0,75g/min
5,51
85%
30
143,04
52,99
9,53
43,46
0,61g/min
4,56
82%
45
134,09
44,04
9,53
34,51
0,60g/min
3,62
78%
60
127,16
37,11
9,53
27,58
0,46g/min
2,89
74%
7
Tabela 2 – Dados da secagem no micro-ondas de 1620W
Tempo (min)
Vidro de
Maçã
Massa
Massa
Velocidade
relógio+maçã
(g)
seca
água (g)
de
(g)
Xbs
Xbu
secagem
(g)
0
133,40
36,77
4,78
31,99
-
6,69
87%
1
120,10
23,47
4,78
18,69
13,3g/min
3,91
80%
2
108,65
12,02
4,78
7,24
11,45g/min 1,51
60%
3
103,80
7,17
4,78
2,39
4,85g/min
33%
0,5
Tabela 3 – Dados da secagem no micro-ondas de 1300W
Tempo (min)
Vidro de
Maçã
Massa
Massa
Velocidade
relógio+maçã
(g)
seca
água (g)
de
(g)
Xbs
Xbu
secagem
(g)
0
121,16
24,53
3,19
21,34
-
6,69
87%
1
111,70
15,07
3,19
11,88
9,46g/min
3,72
79%
2*
109,96
13,33
3,19
10,14
5,22g/min 5,22g/min
3,18
76%
*a maçã pegou fogo com apenas 20s e teve que ser retirada antes de completar os 2 minutos.
Com os dados das Tabelas 1, 2 e 3 foi possível realizar curvas de secagem, velocidade de secagem e de umidade em base seca, para posterior análise de cada método. Os Gráficos 1, 2 e 3 representam a secagem em estufa, curva de umidade em base seca em função do tempo, velocidade de secagem em função da umidade em base seca e velocidade de secagem em função do tempo, nessa sequência.
8
Xbs 8 y = -0.0957x + 7.038 R² = 0.9207
7 6 5 4 3 2 1 0 0
10
20
30
40
50
60
70
t [min]
Gráfico 1 – Curva de umidade em base seca em função do tempo em estufa O Gráfico 1 apresenta uma diminuição do teor de água na fruta em relação ao tempo, chegando a quase 0 de umidade. v [g/min.] y = -0.0934x + 0.9188 R² = 0.2363
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Xbs
Gráfico 2 – Velocidade de secagem em função da umidade em base seca em estufa Não houve relação constante no Gráfico 2 de velocidade, sendo que ocorreu um período de aquecimento e depois um período decrescente. O período de aquecimento significa que a migração interna de umidade não consegue suprir a taxa de evaporação na superfície da partícula
da
maçã,
surgindo
então
regiões
secas
na
superfície
da
partícula
e
9 consequentemente o decrescimento da secagem. Esse comportamento se assemelha ao Gráfico 5.
v [g/min.] 0.9 y = 0.0051x + 0.33 R² = 0.177
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
10
20
30
40
50
60
70
t [min]
Gráfico 3 – Velocidade de secagem em função do tempo na estufa De acordo com o Gráfico 3, nos primeiros minutos a velocidade de secagem é maior, uma vez que se tem alto teor de umidade. Quanto mais umidade a amostra apresenta, maior será a taxa de secagem. Aos poucos essa velocidade diminui de forma branda. Os Gráficos 4, 5 e 6 representam a secagem em micro-ondas com potência 1620 W.
8 7
y = -2.097x + 6.298 R² = 0.9634
6 5 4 3 2 1 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Gráfico 4 – Curva de umidade em base seca em função do tempo em forno micro-ondas 1620 W
10
O Gráfico 4, assim como o Gráfico 1, apresenta uma diminuição do teor de água na fruta em relação ao tempo, chegando a quase 0 de umidade.
18
y = -2.0749x + 16.369 R² = 0.7351
16 14 12 10 8 6 4 2 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Gráfico 5 - Velocidade de secagem em função da umidade em base seca Não houve relação constante no Gráfico 5 assim como no Gráfico 2 de velocidade, sendo que ocorreu um período de aquecimento e depois um período decrescente.
18 16 14 12 10
y = 4.183x + 3.553 R² = 0.6545
8 6 4 2 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Gráfico 6 - Velocidade de secagem em função do tempo Assim como no Gráfico 3, nos primeiros minutos m inutos a velocidade de secagem é maior, uma vez que se tem alto teor de umidade. Aos poucos essa velocidade diminui de forma branda. Os gráficos 7,8 e 9 representam a secagem em micro-ondas com potência de 1300W.
11
8 7 6
y = -2.4178x + 5.6019
5 4 3 2 1 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Gráfico 7 - Curva de umidade em base seca em função do tempo no micro-ondas de 1300W O Gráfico 7, assim como os Gráficos 1 e 4, apresenta uma diminuição do teor de água na fruta em relação ao tempo, porém como a fruta incinerou e a secagem teve que ser interrompida, a fruta ainda continha significativa umidade.
10 9 8 7
y = -2.059x + 14.22
6 5 4 3 2 1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Gráfico 8 - Velocidade de secagem em função da umidade em base seca no micro-ondas de 1300W
De acordo com o Gráfico 8, a velocidade de secagem apresentou comportamento decrescente juntamente com a umidade em base seca. Diminuindo a quantidade de água da fruta, f ruta, há uma
12
diferença de evaporação que afeta a velocidade de secagem. Já no Gráfico 9 pode-se perceber o aumento da velocidade conforme o tempo de secagem, mas por falta de pontos no gráfico, fica difícil uma análise mais concisa. A velocidade então apresentaria um aumento mais significativo com posterior queda branda.
12
y = 9.0021x + 0.9024
10 8 6 4 2 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Gráfico 9 - Velocidade de secagem em função do tempo no micro-ondas de 1300W
4 Considerações Finais
A velocidade de secagem em estufa estuf a é mais lenta do que em forno micro-ondas. micro -ondas. Quanto menor a potência do micro-ondas, menor a taxa de velocidade de secagem, ocorrendo assim de forma mais lenta. Quanto maior for a umidade da fruta, maior será a velocidade de secagem por uma questão de a taxa da evaporação na superfície ser maior do que a migração da umidade interna da fruta. Também a velocidade de secagem aumenta com o tempo até atingir um equilíbrio. Após o equilíbrio, essa tende a diminuir, pois já não há tanta umidade na fruta. Não foi possível avaliar com tanta coerência o micro-ondas de 1300W pelo fato da fruta estar cortada em fatias muito finas, não suportando o calor e incinerando. Por isso sua secagem foi interrompida. Ainda assim, plotou-se os gráficos para tentar avaliar algum comportamento característico.
13 5 Referências Bibliográficas
FOUST, A.S., et al. Princípios das Operações Unitárias . 2ª Ed, Rio de Janeiro, Ed. Guanabara Dois, 1982. LINDEMANN, C; SCHMIDT, V.W . Relatório de Laboratório de Operações Unitárias: Secagem em leite de jorro, Rio Grande, Curso de Engenharia Química da Universidade Federal do Rio
Grande, 2010. MENON, A. S., MUJUMDAR, A. S. Drying of solids: principles, classification, and selection of dryers: Handbook of Industrial Drying. New York: Marcel DekkerInc., 1987.
PACHECO, C.R.F. Apostila de conceitos básicos de secagem , São Paulo, Departamento de Engenharia Química da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2010. PARK, K.J.; ANTONIO, G.C.; OLIVEIRA, R.A.; PARK, K.J.B. Apostila de conceitos de processo e equipamentos de secagem , Campinas, CT&EA – Centro de Tecnologia e Engenharia
Agroindustrial, 2007.