Características gerais da secagem

Strumillo & Kudra (1986) definiram a cinética de secagem como as mudanças do conteúdo de umidade média e da temperatura média do material com o tempo; diferentemente, a dinâmica de secagem descreve mudanças na temperatura e perfis de umidade ao longo do material devidas à secagem. Porém, a mudança do conteúdo de umidade do material e da temperatura são geralmente controlados pela transferência de calor e de massa entre a superfície do corpo, o ambiente e a parte interna do material de secagem, além da intensidade da secagem, que reflete a mudança do conteúdo de umidade com o tempo, sendo a mesma influenciada pelos parâmetros de processos de secagem (temperatura, conteúdo de umidade, pressão parcial, velocidade, umidade relativa do ar, ou pressão total).

De acordo com Strumillo & Kudra (1986), o processo de secagem pode ser ilustrado com diagramas construídos a partir das seguintes coordenadas: o conteúdo de umidade médio do material – tempo de secagem (cinética de secagem), a taxa de secagem – conteúdo de umidade do material (taxa de secagem) e a temperatura média do material – conteúdo de umidade médio do material (curva de temperatura).

A Figura 2.5 apresenta a curva de secagem e a Figura 2.6 a curva da taxa de secagem, que correspondem as curvas típicas da secagem.

Figura 2.5: Curva de secagem (STRUMILLO & KUDRA, 1986).

A Figura 2.5 mostra uma curva típica de secagem convectiva, dividida pelos segmentos característicos, que serão pormenorizados a seguir.

1 – segmento A-B: Este é o chamado período inicial, em que ocorre uma elevação gradual da temperatura do produto e da pressão de vapor de água. Essas elevações têm prosseguimento até o ponto em que a transferência de calor seja equivalente à transferência de massa (água). Este ponto ocorre após um curto tempo, e a relação X=f(t) a partir daí é linear, onde a taxa de secagem é igual à inclinação da reta e esta taxa permanece constante, alterando o comportamento inicial. Neste período, o material a ser seco e sua superfície estão cobertos por uma camada líquida e tem a temperatura muito menor que a temperatura de equilíbrio, e com isso, a taxa de secagem entre os pontos A e B aumentará até a temperatura da superfície do material atingir o valor correspondente ao segmento B-C;

2 – segmento B-C: Este é conhecido como o primeiro período de secagem, caracterizado pela taxa constante de secagem e pelo fato desta ser independente da umidade

Tempo (s) T eo r de u m id ad e, X ( kg /k g)

total do material em cada instante. A superfície exposta do material está saturada, existindo um filme contínuo de água sobre o sólido, que age como se o sólido não existisse. 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. A diminuição linear do teor de umidade com o tempo ocorre continuamente até atingir o ponto C, chamado de ponto crítico, que é o instante em que o movimento do líquido do interior do sólido para a superfície é insuficiente para manter o filme contínuo sobre a superfície do sólido; e ainda, pode-se dizer que este ponto é função da estrutura, da espessura em que o material é secado e da taxa de secagem.

Ressalta-se o fato de que em sólidos fibrosos ou de estrutura amorfa, o movimento do líquido através do sólido é devido à difusão, e como a velocidade de difusão é muito menor que a velocidade decorrente do mecanismo de capilaridade ou de gravidade, os sólidos em que o movimento do líquido é difusivo, tem um período de taxa constante menor, ou ainda pode se secar o material sem passar por esse período;

3 – segmento C-D: Este é o terceiro período de secagem, caracterizado pela taxa de secagem decrescente, iniciando a partir da umidade crítica. 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. Observa-se ainda que a partir do ponto crítico (C), o comportamento da curva se aproxima assintoticamente do teor de umidade de equilíbrio do material Xeq, representado pelo ponto E;

4 – segmento D-E: Este é a fase final de secagem, onde toda a evaporação ocorre no interior do material, e todo vapor que é retirado do sólido deve difundir-se através do sólido até a superfície, e, em seguida, através da corrente gasosa, decrescendo ainda mais a

taxa. Ao atingir a umidade de equilíbrio (E), não se tem mais secagem e a taxa de secagem é nula. Essa umidade é alcançada quando a pressão parcial do vapor na superfície do sólido for igual a pressão do vapor na fase gasosa.

Estes comportamentos da taxa de secagem em relação ao teor de umidade podem ser observados mais detalhadamente pela Figura 2.6.

Figura 2.6: Curva da taxa de secagem (STRUMILLO & KUDRA, 1986).

De forma análoga à Figura 2.5, a Figura 2.6 pode ser separada nos dois períodos característicos da secagem, sendo intimamente ligadas à explicação desta curva, fenômenos de transferência de calor e massa. No período inicial da secagem (segmento AB), o sólido e sua superfície estão cobertos por uma camada líquida que tem temperatura menor que a temperatura de equilíbrio, portanto, como resultado, a taxa de secagem no intervalo entre os pontos A e B aumentará até a temperatura da superfície atingir o valor correspondente à

Teor de umidade do material, X (kg/kg)

T ax a de s ec ag em , W D ( kg /m 2 s) Per. inicial II Período de

secagem I Período de secagem Período de

secagem a taxa decrescente

Período de secagem a taxa constante

linha BC. O período inicial da secagem é representado pelo segmento A’B, quando o secador é alimentado com material úmido que apresenta T > Tg. Cabe ressaltar que este período é curto e na prática pode ser desprezado.

No período de secagem à taxa constante (segmento BC), a superfície do material é mantida em um dado nível de umidade de modo que a secagem ocorre como se o sistema fosse água pura evaporando (PINTO, 1992).

Segundo Geankoplis (1983), o movimento da umidade dentro do sólido é suficientemente rápido para manter a condição de saturação na superfície, e a velocidade de secagem é controlada pela rapidez com que ocorre a transferência de calor para a superfície evaporante e, na ausência de transferência de calor por radiação ou condução, a temperatura de superfície é aproximadamente a da temperatura de bulbo úmido.

Strumillo & Kudra (1986) observaram que neste período, quando se considera a resistência à transferência de massa, os fatores limitantes da taxa de secagem são as condições externas e a camada limite da fase gás.

No período de secagem à taxa decrescente (segmento CD), quando X < Xcr a quantidade de umidade que chega à superfície do material decresce gradualmente, tendo como resultado o decréscimo da pressão de vapor na superfície do material, assim, ocorrendo o decréscimo da taxa de secagem. Para este período, a taxa de secagem é controlada pelo transporte de umidade (condições internas) que depende do gradiente de concentração de umidade no interior do material; com isso, o comportamento das curvas do período de secagem à taxa decrescente depende da constituição do material, enquanto que a forma das curvas de secagem no primeiro e segundo períodos de taxa de secagem, bem como as relações entre os dois períodos, dependem das condições de transferência de massa e camada limite (CAVALCANTE, 2003).