Generalidades

Secagem térmica é um processo de remoção de substâncias voláteis (umidade) de um material sólido ou líquido, devido à existência de diferentes gradientes de umidade e de temperatura entre o meio do qual a umidade é removida e o meio para o qual é transferida (MUJUMDAR, 2006).

A secagem térmica do lodo promove a redução da umidade através da evaporação da água e a destruição dos organismos patogênicos, sendo removida apenas a água e mantidos praticamente inalterados os sólidos totais. A preservação da matéria orgânica, associada à eliminação dos organismos patogênicos, constitui-se em um aspecto de fundamental

importância quando o lodo (biossólido) vai ser utilizado na agricultura. Os principais benefícios da secagem térmica do lodo são (ANDREOLI et al., 2001):

 Redução do volume de lodo e, consequentemente, dos custos de transporte e disposição

final.

 Produto estabilizado facilmente estocado, manuseado e transportado.  Produto final praticamente livre de patógenos.

 Preservação das propriedades agrícolas do lodo.

Segundo Perry e Green (1997) e Mujumdar (2006), como condição geral para a secagem térmica, dois processos fundamentais devem ocorrer simultaneamente: (i) transferência de calor para evaporação do líquido e (ii) transferência de massa como líquido ou vapor dentro dos sólidos e como vapor pela superfície.

Quanto ao processo de transferência de calor, os secadores térmicos podem ser classificados em diretos ou indiretos, sendo o resumo das suas características apresentado na Tabela 4-13.

Tabela 4-13: Características dos secadores diretos e indiretos Secadores diretos Secadores indiretos  Contato direto dos gases quentes com os sólidos, para

aquecê-los e remover a água neles presente.  As temperaturas de secagem podem atingir 750o_C.  Nas temperaturas do gás abaixo do ponto de ebulição,

o teor de vapor no gás influencia a velocidade de secagem e o teor final de umidade no sólido. Com as temperaturas do gás acima do ponto de ebulição, o teor de vapor do gás tem um pequeno efeito retardador sobre a velocidade de secagem e o teor final de umidade.

 Quanto mais baixo for o teor final de umidade, maior será o consumo de combustível por m3 _evaporado.  A eficiência aumenta com o aumento da temperatura

do gás afluente.

 Devido à necessidade de grandes volumes de gás para fornecer todo o calor, o equipamento de coleta de poeira pode ser muito grande e caro quando se operam sólidos em pequenas partículas.

 O calor é transferido ao material úmido mediante a condução numa parede metálica.

 As temperaturas das superfícies podem ultrapassar 540o_{C, no caso dos secadores aquecidos pelos produtos} de combustão.

 São convenientes para secar sob pressão reduzida e em atmosferas inertes, com o objetivo de permitir a

recuperação de solventes e impedir a ocorrência de misturas explosivas ou a oxidação de materiais que se decompõem com facilidade.

 A recuperação de poeira e de material pulverulento pode ser efetuada muito mais satisfatoriamente.

 O fato de não ocorrer o contato direto do meio de secagem e o lodo, constitui uma vantagem quanto à geração de gases e odores.

Fonte: PERRY e GREEN (1997)

Nos secadores diretos, a transferência de calor é realizada por convecção, através do contato direto do lodo com o meio de secagem (ar quente, gases de combustão ou vapor aquecido), que serve como fonte de calor para a remoção de umidade (Figura 4-23a). Devido ao contato direto entre o lodo e o meio de secagem, a taxa de transferência de calor é mais alta. O fluxo

de calor por convecção pode ser determinado pela Equação 4-16. Uma vez que as condições do escoamento variam de ponto a ponto na superfície, tanto o fluxo de calor como o coeficiente de transferência de calor por convecção também variam ao longo da superfície. Definindo um coeficiente médio de transferência de calor por convecção para toda a superfície, a taxa total de transferência de calor pode ser expressa pela Equação 4-17. (INCROPERA e DeWITT, 1998). ) ( sup ''    h T T

qconv (4-16) sup( sup )

   h A T T qconv (4-17) na qual: '' conv

q = fluxo de calor por convecção (W.m-2)

h = coeficiente de transferência de calor por convecção (W.m-2.K-1) Tsup = temperatura da superfície (K)

T_∞ = temperatura do fluido (K) conv

q = taxa de transferência de calor por convecção (W) 

h= coeficiente médio de transferência de calor por convecção para toda a superfície (W.m-

2

.K-1)

A = área da superfície (m-2)

Nos secadores indiretos, a transferência de calor ocorre por condução, através de uma parede metálica que separa o lodo do meio de secagem (ar quente, vapor ou óleo térmico) (Figura 4-23b). O fluxo de calor por condução pode ser determinado pela Equação 4-18 e a taxa de transferência de calor por condução através de uma parede plana de determinada área pode ser determinada pela Equação 4-19 (INCROPERA e DeWITT, 1998).

L T k

q_cond''   (4-18) q_cond q_cond'' A (4-19)

na qual:

' '

cond

q = fluxo de transferência de calor por condução (W.m-2) k = condutividade térmica (W.m-1.K-1)

L = espessura da parede metálica (m)

∆T = diferença de temperatura da superfície aquecida (K)

x

q = taxa de transferência de calor por condução (W)

A transferência de calor para o lodo é afetada por condições externas como: temperatura, umidade, velocidade e direção do gás de secagem, área da superfície de exposição, concentração do lodo, agitação e tempo de detenção. O entendimento dessas condições externas e seus efeitos são importantes para a investigação das características de secagem do lodo, para a escolha do secador mais apropriado e para a determinação das melhores condições operacionais (DAVID, 2002).

Figura 4-23: Esquema da transferência de calor: (a) secadores diretos – convecção; (b) secadores indiretos – condução.

Devido à grande variedade de tipos de produtos e de métodos de secagem, existe também uma variedade de projeto de secadores. Na Tabela 4-14 são apresentados os principais critérios para a classificação de secadores.

Tabela 4-14: Critérios para classificação dos secadores Critério para classificação Exemplo do tipo de secador

Pressão no secador Atmosférica ou vácuo Método de operação Contínua ou em batelada

Método de suprir o calor Convecção, condução, infravermelho, dielétrico e sublimação

Tipo do agente de secagem Ar quente, vapor superaquecido, líquidos aquecidos e gases rejeitados Direção do fluxo de calor e sólidos Cocorrente, contra corrente e fluxo cruzado

Método do fluxo do agente de secagem Livre ou forçado

Método do carregamento da umidade Com agente externo de secagem, com gás inerte, com absorção química da umidade

Forma do material úmido Líquidos, granulares, pós, pastas, folhas, camadas finas, lama

Tipo do fluxo do material (condição

hidrodinâmica) Regime estacionário, transiente ou disperso Construção do secador Bandejas, túnel, esteira, tambor, rotatório, leito

fluidizado e muitos outros Fonte: STRUMILLO e KUDRA (1986)

A opção pela forma de operação do secador, contínuo ou em batelada, está relacionada com o porte da unidade de secagem e com a geração de material a ser seco. De acordo com Park et

al. (2007), para uma taxa de geração de material a ser seco da ordem de 20 a 50 kg.h-1 é

indicado a escolha por secadores em batelada. Em situações de média escala (50 a 1.000 kg.h-

1

), ambos os processos podem ser indicados. Em contrapartida, diante de grandes escalas de produção é indicado o uso de secadores contínuos.

Conforme Perry e Green (1997), os dados mínimos que devem ser obtidos para calcular o desempenho de um secador térmico são: estado físico do sistema disperso (gás/sólido e líquido/sólido); temperatura e teor de umidade do sólido na entrada e na saída, temperatura do gás afluente e efluente, taxa de alimentação, velocidade do gás, umidade do gás na entrada e na saída, tempo de residência no secador e consumo de combustível.

Segundo Andreoli et al. (2001), em condições ideais são necessários 2.744 kJ de energia para evaporar 1 kg de água presente no lodo, entretanto, em condições operacionais normais, este valor pode ser acrescido em até 100%. A demanda total de energia dependerá da eficiência do equipamento escolhido e do tipo de lodo processado.

Destaca-se que o consumo de combustível é o principal componente operacional dos sistemas de secagem térmica, sendo que a utilização de fontes alternativas de combustível, como o biogás oriundo de reatores UASB, pode promover uma considerável redução nos custos operacionais. A energia requerida pelo processo pode variar bastante, dependendo de vários fatores como: umidade de entrada e saída do lodo no processo; tipo, características e eficiência térmica do equipamento utilizado, aproveitamento ou recuperação de energia proveniente de outros processos, como a utilização do biogás quando possível (DAVID, 2002).